Многопоточное программирование. Демяненко ям, мехмат юфу 1 Многопоточное программирование на С
 Скачать 161.83 Kb.
|
|
Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 1 Многопоточное программирование на С Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 2 Многопоточность • — свойство платформы 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. • Такие потоки называют также потоками выполнения (от англ of execution); иногда называют « нитями » (букв. пер. англ. thread) или неформально «тредами». 2 Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 3 Квазимногозадачность на уровне одного исполняемого процесса Все потоки процесса выполняются в адресном пространстве процесса. • Все потоки процесса имеют общие дескрипторы файлов Выполняющийся процесс имеет как минимум один (главный) поток Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 4 На одном процессоре многопоточность обычно реализуется путём временного мультиплексирования процессор переключается между разными потоками выполнения. Это переключение контекста обычно происходит достаточно часто, чтобы пользователь воспринимал выполнение потоков или задач как одновременное Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 5 В многопроцессорных и многоядерных системах потоки или задачи могут реально выполняться одновременно, при этом каждый процессор или ядро обрабатывает отдельный поток или задачу Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 6 • Стандарт C++ ого года не имел упоминаний о существовании потоков Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 7 Кроссплатформенные многопоточные библиотеки Набор библиотек Boost • OpenMP • OpenThreads • POCO Thread (часть проекта POCO — http://pocoproject.org/poco/info/index.html ) • Zthread • Pthreads (Ptreads-w32) • Qt Threads • Intel Threading Building Blocks • Стандартная библиотека STL (C++11) 7 Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 8 Многопоточное программирование в определяет новую модель памяти библиотеку для разработки многопоточных приложений+ threading library, включающую в себя средства синхронизации создания потоков атомарные типы и операции Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 9 Класс std::thread #include #include #include void say_hello(const std::string& name) { std::cout << "hello " << name << std::endl; } int main(int argc, char * argv[]) { std::thread th(say_hello, "world"); th.join(); return 0; } 9 Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 10 Класс std::thread • нельзя копировать но его можно перемещать (std::move) и присваивать Присваивать можно только те объекты, которые не связаны ни с каким потоком, тогда объекту будет присвоено только состояние а при перемещении объекту передается состояние и право на управление потоком Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 11 Идентификатор потока Каждый поток имеет свой идентификатор типа std::thread::id , • который можно получить вызовом метода get_id • или же вызовом статического метода std::thread::this_thread::get_id из функции самого потока Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 12 Идентификатор потока void thread_func() { std::cout << std::this_thread::get_id() << std::endl; } int main(int argc, char * argv[]) { std::thread th(thread_func); std::thread::id th_id = th.get_id(); th.join(); std::cout << th_id << std::endl; return 0; } 12 Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 13 Класс std::thread • статический метод hardware_concurrency , • который возвращает количество потоков, которые могут быть выполнены действительно параллельно но стандарт разрешает функции возвращать 0, если на данной системе это значение нельзя подсчитать или оно не определено Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 14 Класс std::thread • пара статических методов для усыпления потоков sleep_for и функция yield для возможности передачи управления другим потокам Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 15 Мьютекс • (англ. mutex, от mutual exclusion — взаимное исключение) — служит для синхронизации одновременно выполняющихся потоков Когда какой-либо поток, принадлежащий любому процессу, становится владельцем объекта mutex, последний переводится в неотмеченное состояние. Если задача освобождает мьютекс, его состояние становится отмеченным Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 16 Мьютекс • Мьютексы — это простейшие двоичные семафоры, которые могут находиться водном из двух состояний отмеченном или неотмеченном (открыт и закрыт соответственно Мьютекс отличается от семафора общего вида тем, что только владеющий им поток может его освободить, те. перевести в отмеченное состояние Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 17 Задача мьютекса • — защита объекта от доступа к нему других потоков, отличных оттого, который завладел мьютексом. • В каждый конкретный момент только один поток может владеть объектом, защищённым мьютексом. • Если другому потоку будет нужен доступ к переменной, защищённой мьютексом, то этот поток засыпает до тех пор, пока мьютекс не будет освобождён Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 18 Цель использования мьютексов • — защита данных от повреждения в результате асинхронных изменений (состояние гонки, однако могут порождаться другие проблемы такие, как взаимная блокировка (клинч) Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 19 std::mutex 19 #include #include #include std::vector std::mutex mutex; void thread_func1() { mutex.lock(); x.push_back(0); mutex.unlock(); } void thread_func2() { mutex.lock(); x.pop_back(); mutex.unlock(); } Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 20 std::mutex 20 int main() { std::thread th1(thread_func1); std::thread th2(thread_func2); th1.join(); th2.join(); return 0; } Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 21 Последний стандарт языка определяет различные классы мьютексов: • mutex — нет контроля повторного захвата тем же потоком • recursive_mutex — повторные захваты тем же потоком допустимы, ведётся счётчик таких захватов • timed_mutex — нет контроля повторного захвата тем же потоком, поддерживается захват мьютекса с тайм-аутом; • recursive_timed_mutex — повторные захваты тем же потоком допустимы, ведётся счётчик таких захватов, поддерживается захват мьютекса с тайм-аутом. Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 22 Библиотека Boost обеспечивает реализацию мьютексов совместимых по интерфейсу со стандартом C++11 для компиляторов и платформ которые не поддерживают этот стандарт • реализацию дополнительных классов мьютексов: shared_mutex и др, которые позволяют захватывать мьютекс для совместного владения несколькими потоками только для чтения данных Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 23 Проблема безопасности исключений в+ threading library • Тем не менее не рекомендуется использовать класс std::mutex напрямую так как если между вызовами lock и будет сгенерировано исключение - произойдет те. заблокированный поток таки останется ждать Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 24 Шаблонный класс std::lock_guard • — обертка конструктор вызывает метод lock для заданного объекта, а деструктор вызывает unlock • в конструктор класса std::lock_guard можно передать аргумент std::adopt_lock - индикатор, означающий, что mutex уже заблокирован и блокировать его заново не надо std::lock_guard не содержит никаких других методов, его нельзя копировать, переносить или присваивать Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 25 std::lock_guard #include #include #include std::vector std::mutex mutex; void thread_func1() { std::lock_guard x.push_back(0); } void thread_func2() { std::lock_guard x.pop_back(); } Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 26 std::lock_guard int main() { std::thread th1(thread_func1); std::thread th2(thread_func2); th1.join(); th2.join(); return 0; } Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 27 std::unique_lock • еще один класс, контролирующий блокировки а предоставляет немного больше возможностей, чем std::lock_guard • предоставляет возможность ручной блокировки и разблокировки контролируемого ас помощью методов lock и соответственно Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 28 std::unique_lock • std::unique_lock также можно перемещать с помощью вызова std::move • объект класс std::unique_lock может не владеть правами на mutex , который он контролирует при создании объекта можно отложить блокирование а передачей аргумента std::defer_lock конструктору std::unique_lock и указать, что объект не владеет правами на mutex и вызывать unlock в деструкторе не надо права на mutex можно получить позже, вызвав метод lock для объекта функцией owns_lock можно проверить, владеет ли текущий объект правами на mutex Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 29 Deadlock возможен, если между вызовами lock и будет сгенерировано исключение потоки блокируют более одного mutex-a: – два аи защищают два разных ресурса, и, двум потокам, одновременно необходим доступ к этим двум ресурсам Блокировка одного а - атомарна, но блокировка двух mutex-ов - это два отдельных действия, и, если первый поток заблокирует mutex A, в то время, как второй заблокирует mutex B, оба потока зависнут ожидая друг друга. Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 30 std::lock • блокирует переданные ей ы безопасности а. Функция принимает бесконечное количество шаблонных аргументов, которые должны иметь методы lock и unlock Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 31 std::lock • std::unique_lock • std::unique_lock • std::lock(la, lb); Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 32 std::call_once • std::call_once создан для того, чтобы защищать общие данные вовремя инициализации это техника, позволяющая вызвать некий участок кода один раз, независимо от количества потоков, которые пытаются выполнить этот участок кода std::call_once - быстрый и удобный механизм для создания потокобезопасных singleton-ов Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 33 std::call_once #include #include #include struct x { x() { std::cout << std::this_thread::get_id() << std::endl; } }; x* instance; void create_x() { instance = new x(); } Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 34 std::call_once std::once_flag instance_flag; void thread_func() { std::call_once(instance_flag, create_x); } int main() { std::thread th1(thread_func); std::thread th2(thread_func); th1.join(); th2.join(); return 0; } Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 35 Поток ожидает наступления некого события Один из вариантов реализации - регулярно в цикле проверять условие наступления события но это неэффективно, так как поток, вместо того, чтобы спать до наступления нужного момента, постоянно спрашивает о статусе, тем самым, мешая другим потокам Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 36 std::condition_variable это объект синхронизации, предназначенный для блокирования одного потока, пока он не будет оповещено наступлении некоего события из другого Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 37 std::condition_variable #include #include #include #include #include std::vector std::condition_variable data_cond; std::mutex m; Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 38 std::condition_variable void thread_func1() { std::unique_lock data.push_back(10); data_cond.notify_one(); } void thread_func2() { std::unique_lock data_cond.wait( lock, [] { return !data.empty(); } ); std::cout << data.back() << std::endl; } Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 39 std::condition_variable int main() { std::thread th1(thread_func1); std::thread th2(thread_func2); th1.join(); th2.join(); return 0; } Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 40 Отправка оповещения data_cond.notify_one(); • data_cond.notify_all (); Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 41 std::condition_variable_any • std::condition_variable работает только с блокировками типа std::unique_lock • std::condition_variable_any может работать с любыми блокировками, поддерживающими соответствующий интерфейс Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 42 Задача • Необходимо вызвать функцию в отдельном потоке, которая, после долгих подсчетов, вернет значение Можно создать новый поток с помощью std::thread, но, тогда придется заботиться о возвращении результата вызывающему потоку std::thread не дает прямой возможности это сделать Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 43 Решение • Поток запускается вызовом функции std::async и передачей ей функции/функтора для вызова в потоке std::async возвращает объект типа std::future , где T - тип, возвращаемый переданной в std::async функцией Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 44 std::async и std::future #include #include #include int calculate() { return 2 * 2; } int main() { std::future std::cout << result.get() << std::endl; } Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 45 std::async и std::future • функция calculate выполняется в отдельном потоке, при вызове метода get , текущий поток переходит в режим ожидания (если поток, выполняющий функцию, еще не завершил свою работу, и, возвращает результат только тогда, когда он готов Если в функции calculate произошло исключение, то оно сохранится до вызова метода get и сгенерирует его заново Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 46 #include #include #include int calculate() { throw std::runtime_error("fatal error"); } int main() { std::future try { std::cout << result.get() << std::endl; } catch (const std::runtime_error& e) { std::cout << e.what() << std::endl; } } Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 47 std::promise • позволяет передавать значение между потоками Каждый объект std::promise связан с объектом std::future • Это пара классов один из которых (std::promise) отвечает за установку значения а другой (std::future) - за его получение Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 48 std::promise • Первый поток может ожидать установки значения с помощью вызова метода std::future::wait – или std::future::get, • в то время, как второй поток – установит это значение с помощью вызова метода std::promise::set_value , – или передаст первому исключение вызовом метода std::promise::set_exception Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 49 #include #include #include std::promise void thread_func1() { promise.set_value(10); } void thread_func2() { std::cout << promise.get_future().get() << std::endl; } int main() { std::thread th1(thread_func1); std::thread th2(thread_func2); th1.join(); th2.join(); return 0; } Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 50 Для передачи исключения должен вызываться метод std::promise::set_exception , который принимает объект типа std::exception_ptr • Получить объект этого типа можно, либо вызвав из блока catch, либо создать объект этого типа напрямую с помощью вызова функции std::make_exception Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 51 #include #include #include std::promise void thread_func1() { promise.set_exception(std::make_exception(std::runtime_error("fatal error"))); } void thread_func2() { try { std::cout << promise.get_future().get() << std::endl; } catch (const std::exception& e) { std::cout << e.what() << std::endl; } } Демяненко ЯМ, мехмат ЮФУ 52 int main() { std::thread th1(thread_func1); std::thread th2(thread_func2); th1.join(); th2.join(); return 0; } |