Параллельное и распределенное программирование на С++

Базовые уровни программного параллелизма

В этой книге мы исследуем возможности параллелизма в пределах приложения (в противоположность параллелизму на уровне операционной системы или аппаратных средств). Несмотря на то что параллелизм на уровне операционной системы или аппаратных средств поддерживает параллелизм приложения, нас все же интересует само приложение. Итак, параллелизм можно обеспечить на уровне:

• инструкций;

• подпрограмм (функций или процедур);

• объектов;

• приложений.

Параллелизм на уровне инструкций

Параллелизм на уровне инструкций возникает, если несколько частей одной инструкции могут выполняться одновременно. На рис. 1.3 показан пример декомпозиции одной инструкции с целью достижения параллелизма выполнения отдельных операций.

На рис. 1.3 компонент (А + В) можно вычислить одновременно с компонентом (С - D) • Этот вид параллелизма обычно поддерживается директивами компилятора и не попадает под управление С++-программиста.

Рис. 1.3. Декомпозиция одной инструкции

Параллелизм на уровне подпрограмм

ДСС структуру программы можно представить в виде ряда функций, т.е. сумма работ, из которых состоит программное решение, разбивается на некоторое количество функций. Если эти функции распределить по потокам, то каждую функцию в этом случае можно выполнить на отдельном процессоре, и, если в вашем распоряжении будет достаточно процессоров, то все функции смогут выполняться одновременно. Подробнее потоки описываются в главе 4.

Параллелизм на уровне объектов

ДСС-структуру программного решения можно распределить между объектами. Каждый объект можно назначить отдельному потоку или процессу. Используя стандарт CORBA (Common Object Request Broker Architecture — технология построения распределенных объектных приложений), все объекты можно назначить различным компьютерам одной сети или различным компьютерам различных сетей. Более детально технология CORBA рассматривается в главе 8. Объекты, реализованные в различных потоках или процессах, могут выполнять свои методы параллельно.

Параллелизм на уровне приложений

Несколько приложений могут сообща решать некоторую проблему. Несмотря на то что какое-то приложение первоначально предназначалось для выполнения отдельной задачи, принципы многократного использования кода позволяют приложениям сотрудничать. В таких случаях два отдельных приложения эффективно работают вместе подобно единому распределенному приложению. Например, буфер обмена (Clipboard) не предназначался для работы ни с каким конкретным приложением, но его успешно использует множество приложений рабочего стола. О некоторых вариантах применения буфера обмена его создатели в процессе разработки даже и не мечтали.

Второй и третий уровни — это основные уровни параллелизма, поэтому методам их реализации и уделяется основное внимание в этой книге. Уровня операционной системы и аппаратных средств мы коснемся только в том случае, когда это будет необходимо в контексте проектирования приложений. Получив соответствующую ДСС-структуру для проекта, предусматривающего параллельное или распределенное программирование, можно переходить к следующему этапу — рассмотрению возможности его реализации в С++.

Отсутствие языковой поддержки параллелизма в С++

Язык С++ не содержит никаких синтаксических примитивов для параллелизма. С++-стандарт ISO также отмалчивается на тему многопоточности. В языке С++ не предусмотрено никаких средств, чтобы указать, что заданные инструкции должны выполняться параллельно. Включение встроенных средств параллелизма в других языках представляется как их особое достоинство. Бьерн Страуструп, создатель языка С++, имел свое мнение на этот счет:

Можно организовать поддержку параллелизма средствами библиотек, которые будут приближаться к встроенным средствам параллелизма как по эффективности, так и по удобству применения. Опираясь на такие библиотеки, можно поддерживать различные модели, а не только одну, как при использования встроенных средств параллелизма. Я полагаю, что большинство программистов согласятся со мной, что именно такое направление (создание набора библиотек поддержки параллелизма) позволит решить проблемы переносимости, используя тонкий слой интерфейсных классов.

Более того, Страуструп говорит: « Я считаю, что параллелизм в С++ должен быть представлен библиотеками, а не как языковое средство» . Авторы этой книги находят позицию Страуструпа и его рекомендации по реализации параллелизма в качестве библиотечного средства наиболее подходящими с практической точки зрения. В настоящей книге рассмотрен только этот вариант, и такой выбор объясняется доступностью высококачественных библиотек, которые успешно можно использовать для решения задач параллельного и распределенного программирования. Библиотеки, которые мы используем для усиления языка С++ с этой целью, реализуют национальные и международные стандарты и используются тысячами С++-программистов во всем мире.

Варианты реализации параллелизма с помощью С++

Несмотря на существование специальных версий языка С++, предусматривающих «встроенные» средства параллельной обработки данных, мы представляем методы реализации параллелизма с использованием стандарта ISO (International Organization for Standardization — Международная организация по стандартизации) для С++. Мы находим библиотечный подход к параллелизму (при котором используются как системные, так и пользовательские библиотеки) наиболее гибким. Системные библиотеки предоставляются средой операционной системы. Например, поточно-ориентированная библиотека POSIX (Portable Operating System Interface — интерфейс переносимой операционной системы) содержит набор системных функций, которые в сочетании с языковыми средствами С++ успешно используются для поддержки параллелизма. Библиотека POSIX Threads является частью нового единого стандарта спецификаций UNIX (Single UNIX Specifications Standard) и включена в набор стандартов IEEE, описывающих интерфейсы ОС для UNIX (IEEE Std. 1003.1-2001). Создание нового единого стандарта спецификаций UNIX финансируется организацией Open Group, а его разработка поручена организации Austin Common Standards Revision Group. В соответствии с документами Open Group новый единый стандарт спецификаций UNIX:

• предоставляет разработчикам ПО единый набор API-функций, которые должны поддерживаться каждой UNIX-системой;

• смещает акцент с несовместимых реализаций систем UNIX на соответствие единому набору функций API;

• представляет собой кодификацию и юридическую стандартизацию общего ядра системы UNIX;

• в качестве основной цели преследует достижение переносимости исходного кода приложения.

Новый единый стандарт спецификаций UNIX, версия 3, включает стандарт IEEE Std. 1003.1-2001 и спецификации Open Group Base Specifications Issue 6. Стандарты IEEE POSIX в настоящее время представляют собой часть единой спецификации UNIX, и наоборот. Сейчас действует единый международный стандарт для интерфейса переносимой операционной системы. С++-разработчикам это только на руку, поскольку данный стандарт содержит API-функции, которые позволяют создавать потоки и процессы. За исключением параллелизма на уровне инструкций, единственным способом достижения параллелизма с помощью С++ является разбиение программы на потоки или процессы. Именно эти средства и предоставляет новый стандарт. Разработчик может использовать: