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

Такой способ распределения работы — следствие распараллеливания ради разделения обязанностей; у каждого потока есть своя задача, которую он решает независимо от остальных. Время от времени другие потоки могут поставлять нашему потоку данные или генерировать события, на которые он должен отреагировать, но в общем случае каждый поток занимается тем, для чего предназначен. В принципе, это хороший дизайн — у каждой части кода есть своя зона ответственности.

Однопоточное приложение должно как-то разрешать противоречия с принципом единственной обязанности, если существует несколько задач, которые непрерывно выполняются в течение длительного промежутка времени, или если приложение должно обрабатывать поступающие события (например, нажатия на клавиши или входящие сетевые пакеты) своевременно, несмотря на наличие других задач. Для решения этой проблемы мы обычную вручную пишем код, который выполняет кусочек задачи А, потом кусочек задачи В, потом проверяет, не нажата ли клавиша и не пришёл ли сетевой пакет, а потом возвращается в начало цикла, чтобы выполнить следующий кусочек задачи А. В результате код задачи А оказывается усложнен из-за необходимости сохранять состояние и периодически возвращать управление главному циклу. Если выполнять в этом цикле чрезмерно много задач, то скорость работы упадёт, а пользователю придётся слишком долго ждать реакции на нажатие клавиши. Уверен, все вы встречались с крайними проявлениями этого феномена не в одном так в другом приложении: вы просите программу выполнить какое-то действие, после чего интерфейс вообще перестаёт реагировать, пока оно не завершится.

Тут-то и приходят на выручку потоки. Если выполнять каждую задачу в отдельном потоке, то всю эту работу возьмет на себя операционная система. В коде для решения задачи А вы можете сосредоточить внимание только на этой задаче и не думать о сохранении состояния, возврате в главный цикл и о том, сколько вам понадобится времени. Операционная система автоматически сохранит состояние и в подходящий момент переключится на задачу В или С, а если система оснащена несколькими процессорами или ядрами, то задачи А и В могут даже выполняться действительно параллельно. Код обработки клавиш или сетевых пакетов теперь будет работать без задержек, и все остаются в выигрыше: пользователь своевременно получает отклик от программы, а разработчик может писать более простой код, так как каждый поток занимается только тем, что входит в его непосредственные обязанности, не отвлекаясь на управление порядком выполнения или на взаимодействие с пользователем.

Звучит, как голубая мечта. Да возможно ли такое? Как всегда, дьявол кроется в деталях. Если всё действительно независимо и потокам не нужно общаться между собой, то это и вправду легко. Увы, мир редко бывает таким идеальным. Эти замечательные фоновые потоки часто выполняют какие-то запросы пользователя и должны уведомлять пользователя о завершении, обновляя графический интерфейс. А то еще пользователь вздумает отменить задачу, и тогда интерфейс должен каким-то образом послать потоку сообщение с требованием остановиться. В обоих случаях необходимо все тщательно продумать и правильно синхронизировать, хотя обязанности таки разделены. Поток пользовательского интерфейса занимается только интерфейсом, но должен обновлять его но требованию других потоков. Аналогично поток, занятый фоновой задачей, выполняет только операции, свойственные данной задаче, но не исключено, что одна из этих обязанностей заключается в том, чтобы остановиться по просьбе другого потока. Потоку все равно, откуда поступил запрос, важно лишь, что он адресован ему и относится к его компетенции.

На пути разделения обязанностей между потоками нас подстерегают две серьезные опасности. Во-первых, мы можем неправильно разделить обязанности. Признаками такой ошибки является большой объем разделяемых данных или положение, при котором потоки должны ждать друг друга; то и другое означает, что взаимодействие между потоками избыточно интенсивно. Когда такое происходит, нужно понять, чем вызвана необходимость взаимодействия. Если все сводится к какой-то одной причине, то, быть может, соответствующую обязанность следует поручить отдельному потоку, освободив от нее всех остальных. Наоборот, если два потока много взаимодействуют друг с другом и мало — с остальными, то, возможно, имеет смысл объединить их в один.