Читать онлайн «Системное программирование в среде Windows». Страница 63

• Равноправное планирование (peer-to-peer scheduling). Облегченный поток сам определяет, какой из других облегченных потоков должен выполняться следующим. Определение очередного облегченного потока может базироваться на таких стратегиях, как круговое планирование (round-robin scheduling), приоритетное планирование на основании схемы приоритетов и тому подобное. По принципу равноправного планирования реализуются сопрограммы. На рис. 7.5 такого типа передача управления осуществляется между облегченными потоками 0 и 2.

Windows поддерживает потоки, которые планируются независимо друг от друга, но разделяют адресное пространство и ресурсы одного и того же процесса. Потоки дают программисту возможность упростить программу и использовать параллелизм выполнения задач для повышения производительности приложения. Потоки могут обеспечивать выигрыш в производительности даже в однопроцессорных системах.

Рассмотрение темы синхронизации, которое начинается в главе 8 с описания и сравнительного анализа объектов синхронизации Windows, продолжается в главах 9 и 10 обсуждением более сложных вопросов синхронизации с привлечением многочисленных примеров. В главе 11 реализуется сервер с многопоточной поддержкой; он показан на рис. 7.1.

Книга [1] полностью посвящена потокам Win32. Также заслуживают внимания книги [26] и [7]. В то же время во многих из этих и других книг не учтены новшества, появившиеся в Windows 2000, XP и Server 2003. 

В книге [40] применение потоков в UNIX не рассматривается, однако для изучения этой темы можно порекомендовать книгу [6]. В этой книге даются многочисленные рекомендации, касающиеся проектирования и реализации многопоточных программ. Приведенная в ней информация применима в равной степени как к потокам Pthreads, так и к потокам Windows, и многие примеры без труда переносятся в Windows. В ней также хорошо изложены модели "хозяин/рабочий", "клиент/сервер" и конвейерная модель, и представление Бутенхофа (Butenhof) было положено в основу описания указанных моделей в данной главе.

7.1. Реализуйте набор функций, позволяющий приостанавливать и возобновлять выполнение потоков, и, кроме того, получать значение счетчика приостановок потоков.

7.2. Сравните производительность программ параллельного поиска, одна из которых использует потоки (программа 7.1, GrepMT), а другая — процессы (программа 6.1, GrepMP). Сравните полученные результаты с теми, которые приведены в приложении В.

7.3. Проведите дополнительное исследование производительности программы GrepMT для случаев, когда файлы находятся на различных дисках или являются сетевыми файлами. Определите также выигрыш в производительности, если таковой будет наблюдаться, в случае SMP-систем.

7.4. Измените программу 7.1, GrepMT, таким образом, чтобы она выводила результаты в той очередности, в какой файлы указаны в командной строке. Сказываются ли эти изменения каким-либо образом на показателях производительности?

7.5. Дополнительно усовершенствуйте программу 7.1, GrepMT, таким образом, чтобы она выводила время, потребовавшееся для выполнения каждого из потоков. Для этого вам понадобится функция GetThreadTimes, аналогичная функции GetProcessTimes, которая была использована в главе 6. Указанное усовершенствование сможет работать лишь в Windows NT4 и более поздних версиях.

7.6. На Web-сайте книги находится многопоточная программа подсчета слов, wcMT.c, структура которой аналогична структуре программы grepMT.c. Там же находится версия этой программы, wcMTx, в которую были намеренно введены некоторые дефекты. Попытайтесь найти и устранить указанные дефекты, в том числе и синтаксические ошибки, не сверяясь с корректным решением. Кроме того, создайте тестовые примеры, иллюстрирующие эти дефекты, и выполните эксперименты по определению производительно сти, аналогичные тем, которые предлагались для программы grepMT. На Web-сайте находится также однопоточная версия упомянутой программы, wcST.c, которую можно использовать для того, чтобы определить, обеспечивают ли потоки выигрыш в производительности по сравнению с последовательной обработкой.

7.7. На Web-сайте находится программа grepMTx.c, в которой имеются дефекты, связанные с нарушением базовых правил, соблюдение которых необходимо для безопасного выполнения нескольких потоков. Опишите, к чему это приводит, а также найдите и устраните ошибки.

7.8. Для правильного выполнения программы sortMT требуется, чтобы количество записей в массиве нацело делилось на количество потоков, а количество потоков равнялось степени 2. Устраните эти ограничения.

7.9. Усовершенствуйте программу sortMT таким образом, чтобы в случаях, когда количество потоков, заданное в командной строке, равно 0, программа определяла количество процессоров, установленных в локальной системе, с помощью функции GetSystemInfo. Задавая количество потоков равным различным кратным количества процессоров (используя коэффициенты кратности 1, 2, 4 и так далее), определите, изменяется ли при этом производительность. 

7.10. Видоизмените программу sortMT таким образом, чтобы рабочие потоки не приостанавливались при их создании. Сказываются ли, и если да, то каким именно образом, возникающие при этом нежелательные условия состязаний на работе программы?

7.11. В программе sortMT, еще до того, как создаются потоки, выполняющие сортировку, осуществляется считывание всего файла основным потоком. Видоизмените программу таким образом, чтобы каждый поток самостоятельно считывал необходимую часть файла.

7.12. Видоизмените одну из приведенных в данной главе программ (grepMT или sortMT) таким образом, чтобы специфическая для потоков информация частично или полностью передавалась через TLS, а не через структуры данных.

7.13. Наблюдается ли выигрыш в производительности в случае предоставления некоторым потокам в программе sortMT более высокого приоритета по сравнению со всеми остальными? Например, может оказаться выгодным предоставить таким потокам, как поток 3 на рис. 7.2, которая занята лишь сортировкой без слияния, более высокий приоритет, чем всем остальным. Объясните результаты.

7.14. В программе sortMT все потоки создаются в приостановленном состоянии с той целью, чтобы избежать создания условий состязаний. Видоизмените эту программу таким образом, чтобы потоки создавались в обратном порядке и в состоянии выполнения. Продолжают ли после этого оставаться какие-либо предпосылки для существования условий состязаний? Сравните показатели производительности измененной и исходной версий программы. 

7.15. Алгоритм быстрой сортировки (Quicksort), обычно используемый функцией qsort библиотеки С, как правило, характеризуется высоким быстродействием, но в некоторых случаях может замедляться. В большинстве учебников по алгоритмам рассматривается его версия, которая работает быстрее всего в тех случаях, когда массив отсортирован в обратном порядке, и медленнее всего, когда массив является уже отсортированным. Однако реализация этого алгоритма в библиотеке Microsoft С ведет себя иначе. Определите из кода библиотечной программы, какого типа последовательности элементов массива будут приводить к наилучшим и наихудшим результатам, и исследуйте показатели производительности программы sortMT для этих двух крайних случаев. Как влияет на результаты увеличение или уменьшение количества потоков? Примечание. Исходный код библиотеки С мог быть установлен в подкаталоге CRT основного каталога Visual Studio на вашей машине. Ищите функцию qsort.с. Кроме того, вы можете попытаться отыскать эту функцию на установочном компакт-диске.

7.16. На Web-сайте содержится программа sortMTx, в которую были намеренно внесены некоторые дефекты. Продемонстрируйте наличие дефектов на тестовых примерах, а затем объясните и устраните указанные дефекты, не сверяясь с корректными решениями. Предостережение. Версии программ, в которых присутствуют дефекты, могут содержать как синтаксические ошибки, так и ошибки в логике организации выполнения потоков.

7.17. Прочитайте статью Джейсона Кларка (Jason Clark) "Waiting for More than 64 Objects" ("Ожидание более чем 64 объектов"), опубликованную в октябрьском номере журнала Windows Developer's Journal за 1997 год. Примените описанное в ней решение к программе grepMT. Найти старые выпуски журналов иногда бывает очень трудно, поэтому воспользуйтесь каким-нибудь поисковым механизмом для поиска сразу по нескольким ключевым словам. Мною для этого поиска была использована фраза "wait for multiple objects more than 64", хотя другие варианты могут оказаться более эффективными. 

Потоки могут упрощать проектирование и реализацию программ и повышать их производительность, но их использование требует принятия мер по защите разделяемых ресурсов от попыток их изменения одновременно несколькими потоками, а также создания таких условий, при которых потоки выполняются лишь в ответ на запрос или тогда, когда это является необходимым. В настоящей главе представлены способы решения этих задач с помощью объектов синхронизации Windows — критических участков кода, мьютексов, семафоров и событий, а также описаны некоторые из проблем, например, взаимоблокировка потоков и возникновение состязаний между ними, которые могут наблюдаться в результате неправильного использования потоков. Объекты синхронизации могут применяться для синхронизации потоков, принадлежащих как одному и тому же, так и различным процессам.