Энтони Уильямс - Параллельное программирование на С++ в действии. Практика разработки многопоточных программ

Отталкиваясь от структур данных с блокировками, описанных в главе 6, мы в этой главе продемонстрировали простые реализации структур данных без блокировок на примере все тех же стека и очереди. Мы видели, как внимательно нужно подходить к упорядочению доступа к памяти в атомарных операциях, чтобы избежать гонок и гарантировать, что каждый поток видит непротиворечивое представление структуры данных. Мы также поняли, что управление памятью в структурах данных без блокировок оказывается значительно сложнее, чем в структурах с блокировками, и изучили несколько подходов к решению этой проблемы. Еще мы узнали, как предотвращать циклы активного ожидания, помогая завершить работу потоку, которого мы ждем.

Проектирование свободных от блокировок структур данных — сложная задача, при решении которой легко допустить ошибки, зато такие структуры обладают свойствами масштабируемости, незаменимыми в некоторых ситуациях. Надеюсь, что, проработав приведенные в этой главе примеры и ознакомившись с рекомендациями, вы будете лучше подготовлены к разработке собственных структур данных без блокировок, реализации алгоритмов, описанных в научных статьях, или к поиску ошибок, допущенных бывшим сотрудником компании.

Во всех случаях, когда некоторые данные разделяются между потоками, нужно задумываться о применяемых структурах данных и о синхронизации. Проектируя структуры данных с учетом параллелизма, вы сможете инкапсулировать ответственность в самой структуре, позволив основной программе сосредоточиться на решаемой задаче, а не на синхронизации доступа к данным. Этот подход будет продемонстрирован в главе 8, где мы перейдём от параллельных структур данных к написанию параллельных программ. В параллельных алгоритмах для повышения производительности используется несколько потоков, и выбор подходящей параллельной структуры данных приобретает решающее значение.

■ Методы распределения данных между потоками.

■ Факторы, влияющие на производительность параллельного кода.

■ Как от этих факторов зависит дизайн параллельных структур данных.

■ Безопасность многопоточного кода относительно исключений.

■ Масштабируемость.

■ Примеры реализации параллельных алгоритмов.

В предыдущих главах мы в основном занимались появившимися в новом стандарте C++11 средствами для написания параллельных программ. В главах 6 и 7 мы видели, как эти средства применяются для проектирования простых структур данных, безопасных относительно доступа из нескольких потоков. Но как столяру недостаточно знать, как устроена петля или шарнир, чтобы смастерить шкаф или стол, так и для проектирования параллельных программ недостаточно знакомства с устройством и применением простых структур данных. Теперь мы будем рассматривать проблему в более широком контексте и научимся строить более крупные узлы, способные выполнять полезную работу В качестве примеров я возьму многопоточные реализации некоторых алгоритмов из стандартной библиотеки С++, но те же самые принципы остаются в силе при разработке всех уровней приложения.

Как и в любом программном проекте, тщательное продумывание структуры параллельного кода имеет первостепенное значение. Однако в параллельной программе приходится учитывать еще больше факторов, чем в последовательной. Нужно принимать во внимание не только инкапсуляцию, связанность и сцепленность (эти вопросы подробно рассматриваются во многих книгах по проектированию программного обеспечения), но и то, какие данные разделять, как организовывать доступ к ним, каким потокам придётся ждать других потоков для завершения операции и т.д.

Именно этим мы и будем заниматься в этой главе, начав с высокоуровневых (но фундаментальных) вопросов о том, сколько создавать потоков, какой код выполнять в каждом потоке и как многопоточность влияет на понятность программы, и закончив низкоуровневыми деталями того, как организовать разделяемые данные для достижения оптимальной производительности.

Начнем с методов распределения работы между потоками.

Представьте, что вам поручили построить дом. Для этого предстоит вырыть котлован под фундамент, возвести стены, провести водопровод и электропроводку и т.д. Теоретически, имея достаточную подготовку, все это можно сделать и в одиночку, по времени уйдет много и придётся постоянно переключаться с одного занятия на другое. Можно вместо этого нанять несколько помощников. Тогда нужно решить, сколько людей нанимать и каких специальностей. К примеру, пригласить двух универсалов и всё делать совместно. По-прежнему нужно будет переходить от одной работы к другой, но в итоге строительство удастся завершить быстрее, так как теперь в нем принимает участие больше народу