Читать «Параллельное программирование на С++ в действии. Практика разработки многопоточных программ»

С идеей многопоточного программирования я столкнулся на своей первой работе после окончания колледжа. Мы занимались приложением, которое должно было помещать входные записи в базу данных. Данных было много, но все они были независимы и требовали значительной предварительной обработки. Чтобы задействовать всю мощь нашего десятипроцессорного компьютера UltraSPARC, мы организовали несколько потоков, каждый из которых обрабатывал свою порцию входных данных. Код был написан на языке С++, с использованием потоков POSIX. Ошибок мы наделали кучу — многопоточность для всех была внове — но до конца все-таки добрались. Именно во время работы над этим проектом я впервые услыхал о комитете по стандартизации С++ и о недавно опубликованном стандарте языка С++.

С тех мой интерес к многопоточному программированию и параллелизму не затухает. Там, где другим видятся трудности и источник разнообразных проблем, я нахожу мощный инструмент, который позволяет программе использовать всё наличное оборудование и в результате работать быстрее. Позднее я научился применять эти идеи и при наличии всего одного процессора или ядра, чтобы улучшить быстроту реакции и повысить производительность, — благодаря тому, что одновременная работа нескольких потоков дает программе возможность не простаивать во время таких длительных операций, как ввод/вывод. Я также узнал, как это устроено на уровне ОС и как в процессорах Intel реализовано контекстное переключение задач.

Тем временем интерес к С++ свел меня с членами Ассоциации пользователей С и С++ (ACCU), а затем с членами комиссии по стандартизации С++ при Институте стандартов Великобритании (BSI) и разработчиками библиотек Boost. Я с интересом наблюдал за началом разработки библиотеки многопоточности Boost, а когда автор забросил проект, я воспользовался шансом перехватить инициативу. С тех пор разработка и сопровождение библиотеки Boost Thread Library лежит в основном на мне.

По мере того как в работе комитета по стандартизации С++ наметился сдвиг от исправления дефектов в существующем стандарте в сторону выработки предложений для нового стандарта (получившего условное название С++0х в надежде, что его удастся завершить до 2009 года, и официально названного С++11, так как он наконец был опубликован в 2011 году), я стал принимать более активное участие в деятельности BSI и даже вносить собственные предложения. Когда стало ясно, что многопоточность стоит на повестке дня, я по-настоящему встрепенулся — многие вошедшие в стандарт предложения по многопоточности и параллелизму написаны как мной самим, так и в соавторстве с коллегами. Я считаю большой удачей, что таким образом удалось совместить две основных сферы моих интересов в области программирования — язык С++ и многопоточность.

В этой книге, опирающейся на весь мой опыт работы с С++ и многопоточностью, я ставил целью научить других программистов, как безопасно и эффективно пользоваться библиотекой С++11 Thread Library. Надеюсь, что мне удастся заразить читателей своим энтузиазмом.

Прежде всего, хочу сказать огромное спасибо своей супруге, Ким, за любовь и поддержку, которую она выказывала на протяжении работы над книгой, отнимавшей изрядную долю моего свободного времени за последние четыре года. Без ее терпения, ободрения и понимания я бы не справился.

Далее я хочу поблагодарить коллектив издательства Manning, благодаря которому эта книга появилась на свет: Марджана Баджи (Marjan Васе), главного редактора; Майкла Стивенса (Michael Stephens), его заместителя; Синтию Кейн (Cynthia Kane), моего редактора-консультанта; Карен Тегтмейер (Karen Tegtmeyer), выпускающего редактора; Линду Ректенвальд (Linda Recktenwald), редактора; Кати Теннант (корректора) и Мэри Пирджис, начальника производства. Без их стараний вы не читали бы сейчас эту книгу. Я хочу также поблагодарить других членов комитета по стандартизации С++, которые подавали на рассмотрение материалы, относящиеся к многопоточности: Андрея Александреску (Andrei Alexandrescu), Пита Беккера (Pete Becker), Боба Блэйнера (Bob Blainer), Ханса Бема (Hans Boehm), Бимана Доуса (Beman Dawes), Лоуренса Кроула (Lawrence Crowl), Петера Димова (Peter Dimov), Джеффа Гарланда (Jeff Garland), Кевлина Хэнни (Kevlin Henney), Ховарда Хиннанта (Howard Hinnant), Бена Хатчингса (Ben Hutchings), Йана Кристоферсона (Jan Kristofferson), Дуга Ли (Doug Lea), Пола Маккинни (Paul МсKenney), Ника Макларена (Nick McLaren), Кларка Нельсона (Clark Nelson), Билла Пью (Bill Pugh), Рауля Силвера (Raul Silvera), Герба Саттера (Herb Sutter), Детлефа Вольмана (Detlef Vollmann) и Майкла Вонга (Michael Wong), а также всех тех, кто рецензировал материалы, принимал участие в их обсуждении на заседаниях комитета и иными способами содействовал оформлению поддержки многопоточности и параллелизма в С++11.

Наконец, хочу выразить благодарность людям, чьи предложения позволили заметно улучшить книгу: д-ру Джейми Оллсопу (Jamie Allsop), Петеру Димову, Ховарду Хиннанту, Рику Моллою (Rick Molloy), Джонатану Уэйкли (Jonathan Wakely) и д-ру Расселу Уиндеру (Russel Winder). Отдельное спасибо Расселу за подробные рецензии и Джонатану, который в качестве технического редактора, тщательно проверил окончательный текст на предмет наличия вопиющих ошибок. (Все оставшиеся ошибки — целиком моя вина.) И напоследок выражаю признательность группе рецензентов: Райану Стивенсу (Ryan Stephens), Нилу Хорлоку (Neil Horlock), Джону Тейлору младшему (John Taylor Jr.), Эзре Дживану (Ezra Jivan), Джошуа Хейеру (Joshua Heyer), Киту С. Киму (Keith S. Kim), Мишель Галли (Michele Galli) Майку Тянь-Чжань Чжану (Mike Tian-Jian Jiang), Дэвиду Стронгу (David Strong), Роджеру Орру (Roger Orr), Вагнеру Рику (Wagner Rick), Майку Буксасу (Mike Buksas) и Бас Воде (Bas Vodde). Также спасибо всем читателям предварительного издания, которые нашли время указать на ошибки и отметить места, нуждающиеся в уточнении.

Эта книга представляет собой углубленное руководство по средствам поддержки многопоточности и параллелизма в новом стандарте С++, от базового использования классов и функций из пространств имел std::thread, std::mutex и std::async до сложных вопросов, связанных с атомарными операциями и моделью памяти.

Структура книги

В первых четырех главах описываются различные библиотечные средства и порядок работы с ними.

Глава 5 посвящена низкоуровневым техническим деталям модели памяти и атомарных операций. В частности, рассматривается вопрос об использовании атомарных операций для задания ограничений на порядок выполнения других частей программы. Вводные главы на этом заканчиваются.

В главах 6 и 7 начинается изучение программирования на более высоком уровне, с примерами использования базовых средств для построения сложных структур данных — с блокировками (глава 6) и без блокировок (глава 7).

В главе 8 эта линия продолжается: даются рекомендации по проектированию многопоточных программ, рассматриваются аспекты, влияющие на производительность, и приводятся примеры реализации различных параллельных алгоритмов.

Глава 9 посвящена средствам управления потоками, рассматриваются пулы потоков, очереди работ и прерывание операций.

Тема главы 10 — тестирование и отладка: типы ошибок, методы их отыскания, способы тестирования и так далее.

В приложениях вы найдете краткое описание некоторых языковых средств, добавленных в новый стандарт и имеющих отношение к многопоточности; детали реализации библиотеки передачи сообщениями, упомянутой в