Параллельное и распределенное программирование на С++ - Хьюз Камерон
Теперь мы можем использовать такой встроенный интерфейсный класс, как mutex, в любых других пользовательских классах, предназначенных для безопасной обработки потоков выполнения. Предположим, мы хотели бы создать очередь с многопоточной поддержкой и многопоточный класс pvm_stream. Очередь будем использовать для хранения поступающих событий для множества потоков, образованных в программе. На некоторые потоки возложена ответственность за отправку сообщений различным PVM-задачам. PVM-задачи и потоки выполняются параллельно. Несколько потоков выполнения разделяют единственный PVM-класс и единственную очередь событий. Отношения между потоками, PVM-задачами, очередью событий и классом pvm_stream показаны на рис. 11.1.
Очередь, показанная на рис. 11.1, представляет собой критический раздел, поскольку она совместно используется несколькими выполняемыми потоками. Класс pvm_stream — это также критический раздел и по той же причине. Если эти критические разделы не синхронизировать и не защитить, то данные в очереди и классе pvm_stream могут разрушиться. Тот факт, что несколько потоков могут одновременно обновлять либо очередь, либо код класса pvm_stream, открывает среду для «гонок». Чтобы не допустить этого, мы должны обеспечить нашу очередь и к л асс pvm_stream встроенны м и средства м и блокировки и разблокировки. Эти средства также поддерживаются классом mutex. На рис. 11.2 показана диаграмма классов для наших пользовательских классов x_queue и pvm_stream.
Обратите внимание на то, что класс x_queue содержит к л асс мьютекс, т.е. между классами x_queue и мьютекс существует отношение агрегирования. Любая операция, которая изменяет состояние наше г о к л асса x_queue, может привести к «гонкам» данных, если, конечно, эгу операцию не синхронизировать. Следовательно, операции, которые добавляют объект в очередь или удаляют его из нее, являются кандидатами для синхронизации. В листинге 11.3 приведено объявление к л асса x_queue как шаблонного.
Рис.11.1. Отношения между потоками, PVM-задачами, очередью событий и классом pvm_stream в PVM-программе
Рис.11.2. Диаграмма классов для пользовательских классов x_queue и pvm_stream
// Листинг 11.3. Объявление класса x_queue
template <class T> x_queue class{
protected:
queue<T> EventQ;
mutex Mutex;
//...
public:
bool enqueue(T Object);
T dequeue(void);
//...
};
Метод enqueue() используется для добавления элементов в очередь, а метод dequeue() — для удаления их из очереди. Каждый из этих методов рассчитан на использование oбъeктaMutex. Определение этих методов приведено в листинге 11.4.
// Листинг 11.4. Определение методов enqueue() и dequeue()
tempIate<class T> bool x_queue<T>::enqueue(T Object)
{
Mutex.lock(); EventQ.push(Object); Mutex.unlock();
}
Leinplr.te<class T> T x_queue<T>::dequeue(void)
{
T Object; //. . .
Mutex.lock();
Object = EventQ.front()
EventQ.pop();
Mutex.unlock() ;
//. . .
return(Object);
}
Теперь очередь может функционировать (принимать новые элементы и избавляться от ненужных) в многопоточной среде. ПотокВ (см. рис.11.1) добавляет элементы в очередь, а потокА удаляет их оттуда. Класс mutex является интерфейсным классом. Он заключает в оболочку функции pthread_mutex_lock (), pthread_mutex_unlock (), pthread_mutex_init() и pthread_mutex_trylock(). Класс x_queue также является интерфейсным, поскольку он адаптирует интерфейс для встроенного класса queue<T> . Прежде всего, он заменяет интерфейсы методов push() и pop() методами enqueue() и dequeue() . При этом операции вставки и удаления элементов из очереди заключаются между вызовами методов Mutex.lock() и Mutex.unlock(). Поэтому в первом случае мы используем интерфейсный класс для инкапсуляции переменных типа pthread_mutex_t* и pthread_mutexattr_t*, а также заключаем в интерфейсную оболочку несколько функций из библиотеки Pthread. А во втором случае мы используем интерфейсный класс для адаптации интерфейса класса queue<T>. Еще одно достоинство класса mutex состоит в том, что его легко использовать в других классах, которые содержат критические разделы или области.
Класс pvm_stream (см. рис. 11 1) также является критическим разделом, поскольку оба потока выполнения (А и В) имеют доступ к потоку данных. Опасность возникновения «гонок» данных здесь вполне реальна, поскольку потокА и поток В могут получить доступ к потоку данных одновременно. Следовательно, мы используем класс mutex в нашем классе pvm_stream для обеспечения необходимой синхронизации.
// Листинг 11.5. Объявление класса pvm_stream
class pvm_stream{
protected:
mutex Mutex;
int TaskId;
int MessageId;
// . - -
public:
pvm_stream & operator <<(string X);
pvm_stream & operator «(int X);
pvm_stream &operator <<(float X);
pvm_stream &operator>>(string X);
//.. .
};
Как и в классе x_queue, объект Mutex используется применительно к функциям, которые могут изменить состояние объекта класса pvm_stream. Например, мы могли определить один из операторов "«" следующим образом .
// Листинг 11.6. Определение оператора << для
// класса pvm_stream
pvm_stream &pvm_stream::operator<<(string X) {
//...
pvm_pkbyte(const_cast<char *>(X.data()),X.size(),1);
Mutex.lock();
pvm_send(TaskId,MessageId);
Mutex.unlock();
//.. .
return(*this);
}
Класс pvm_stream использует объекты Mutex для синхронизации доступа к его критическому разделу точно так же, как это было сделано в классе x_queue. Важно отметить, что в обоих случалх инкапсулируются pthread_mutex-функции . Программист не должен беспокоиться о правильном синтаксисе их вызова. Здесь также используется более простой интерфейс для вызова функций lock () и unlock (). Более того, здесь нельзя перепутать, какую pthread_mutex_t*-nepeмeннyю нужно использовать с pthread_mutex-функциями. Наконец, программист может объявить несколько экземпляров класса mutex, не обращалсь снова и снова к функциям библиотеки Pthread. Раз мы сделали ссылку на Pthread-функции в определениях методов клlacca mutex, то теперь нам достаточно вызывать только эти методы.
Подробнее об объектно-ориентированном взаимном исключении и интерфейсных классах
Чтобы справиться со сложностью написания и поддержки программ с параллелизмом, попробуем упростить API-интерфейс с соответствующими библиотеками. В некоторых системах, возможно, имеет смысл создать библиотеки Pthreads, MPI, атакже стандартные функции использования семафоров и разделяемой памяти как часть единого решения. Все эти библиотеки и функции имеют собственные протоколы и синтаксис. Но у них есть много общего. Поэтому мы можем использовать интерфейсные классы, наследование и полиморфизм для создания упрощенного и непротиворечивого интерфейса, с которым непосредственно будет работать программист. Мы можем также скрыть от наших приложений детали реализации конкретной библиотеки. Если приложение опирается только на методы, используемые в наших интерфейсных классах, то оно будет защищено от изменений, вносимых в реализацию функций, обновлений библиотек и прочих «подводных» реструктуризации. В конце концов, работа над интерфейсом (интерфейсными классами) с компонентами параллелизма и библиотеками функций позволит существенно понизить уровень сложности параллельного программирования. Итак, рассмотрим подробнее, какие методы разработки интерфейсных классов можно реализовать для поддержки параллелизма.