А теперь представьте, что всех разработчиков собрали в одной комнате. У них появилась возможность обсуждать между собой проект приложения, рисовать на бумаге или на доске диаграммы, обмениваться мыслями. Содержать придется только один офис и одного комплекта документации вполне хватит. Но есть и минусы теперь им труднее сконцентрироваться и могут возникать проблемы с общим доступом к ресурсам («Ну куда опять запропастилось это справочное руководство?»).
Эти два способа организации труда разработчиков иллюстрируют два основных подхода к параллелизму. Разработчик это модель потока, а кабинет модель процесса В первом случае имеется несколько однопоточных процессов (у каждого разработчика свой кабинет), во втором несколько потоков в одном процессе (два разработчика в одном кабинете). Разумеется, возможны произвольные комбинации: может быть несколько процессов, многопоточных и однопоточных, но принцип остается неизменным. А теперь поговорим немного о том, как эти два подхода к параллелизму применяются в приложениях.
Параллелизм за счет нескольких процессов
Первый способ распараллелить приложение — разбить его на несколько однопоточных одновременно исполняемых процессов. Именно так вы и поступаете, запуская вместе браузер и текстовый процессор. Затем эти отдельные процессы могут обмениваться сообщениями, применяя стандартные каналы межпроцессной коммуникации (сигналы, сокеты, файлы, конвейеры и т.д.), как показано на рис. 1.3. Недостаток такой организации связи между процессами в его сложности, медленности, а иногда том и другом вместе. Дело в том, что операционная система должна обеспечить защиту процессов, так чтобы ни один не мог случайно изменить данные, принадлежащие другому. Есть и еще один недостаток — неустранимые накладные расходы на запуск нескольких процессов: для запуска процесса требуется время, ОС должна выделить внутренние ресурсы для управления процессом и т.д.
Рис. 1.3. Коммуникация между двумя параллельно работающими процессами
Конечно, есть и плюсы. Благодаря надежной защите процессов, обеспечиваемой операционной системой, и высокоуровневым механизмам коммуникации написать безопасный параллельный код проще, когда имеешь дело с процессами, а не с потоками. Например, в среде исполнения, создаваемой языком программирования Erlang, в качестве фундаментального механизма параллелизма используются процессы, и это дает отличный эффект.
У применения процессов для реализации параллелизма есть и еще одно достоинство — процессы можно запускать на разных машинах, объединенных сетью. Хотя затраты на коммуникацию при этом возрастают, по в хорошо спроектированной системе такой способ повышения степени параллелизма может оказаться очень эффективным, и общая производительность увеличится.
Параллелизм за счет нескольких потоков
Альтернативный подход к организации параллелизма — запуск нескольких потоков в одном процессе. Потоки можно считать облегченными процессами — каждый поток работает независимо от всех остальных, и все потоки могут выполнять разные последовательности команд. Однако все принадлежащие процессу потоки разделяют общее адресное пространство и имеют прямой доступ к большей части данных — глобальные переменные остаются глобальными, указатели и ссылки на объекты можно передавать из одного потока в другой. Для процессов тоже можно организовать доступ к разделяемой памяти, но это и сделать сложнее, и управлять не так просто, потому что адреса одного и того же элемента данных в разных процессах могут оказаться разными. На рис. 1.4 показано, как два потока в одном процессе обмениваются данными через разделяемую память.
Рис. 1.4. Коммуникация между двумя параллельно исполняемыми потоками в одном процессе
Благодаря общему адресному пространству и отсутствию защиты данных от доступа со стороны разных потоков накладные расходы, связанные с наличием нескольких потоков, существенно меньше, так как на долю операционной системы выпадает гораздо меньше учетной работы, чем в случае нескольких процессов. Однако же за гибкость разделяемой памяти приходится расплачиваться — если к некоторому элементу данных обращаются несколько потоков, то программист должен обеспечить согласованность представления этого элемента во всех потоках. Возникающие при этом проблемы, а также средства и рекомендации по их разрешению рассматриваются на протяжении всей книги, а особенно в главах 3, 4, 5 и 8. Эти проблемы не являются непреодолимыми, надо лишь соблюдать осторожность при написании кода. Но само их наличие означает, что коммуникацию между потоками необходимо тщательно продумывать.
Низкие накладные расходы на запуск потоков внутри процесса и коммуникацию между ними стали причиной популярности этого подхода во всех распространенных языках программирования, включая С++, даже несмотря на потенциальные проблемы, связанные с разделением памяти. Кроме того, в стандарте С++ не оговаривается встроенная поддержка межпроцессной коммуникации, а, значит, приложения, основанные на применении нескольких процессов, вынуждены полагаться на платформенно-зависимые API. Поэтому в этой книге мы будем заниматься исключительно параллелизмом на основе многопоточности, и в дальнейшем всякое упоминание о параллелизме предполагает использование нескольких потоков.
Определившись с тем, что понимать под параллелизмом, посмотрим, зачем он может понадобиться в приложениях.
1.2. Зачем нужен параллелизм?
Существует две основных причины для использования параллелизма в приложении: разделение обязанностей и производительность. Я бы даже рискнул сказать, что это единственные причины — если внимательно приглядеться, то окажется, что все остальное сводится к одной или к другой (или к обеим сразу). Ну, конечно, если не рассматривать в качестве аргумента «потому что я так хочу».
1.2.1. Применение параллелизма для разделения обязанностей
Разделение обязанностей почти всегда приветствуется при разработке программ: если сгруппировать взаимосвязанные и разделить несвязанные части кода, то программа станет проще для понимания и тестирования и, стало быть, будет содержать меньше ошибок. Использовать распараллеливание для разделения функционально не связанных между собой частей программы имеет смысл даже, если относящиеся к разным частям операции должны выполняться одновременно: без явного распараллеливания нам пришлось бы либо реализовать какую-то инфраструктуру переключения задач, либо то и дело обращаться к коду из посторонней части программы во время выполнения операции.
Рассмотрим приложение, имеющее графический интерфейс и выполняющее сложные вычисления, например DVD-проигрыватель на настольном компьютере. У такого приложения два принципиально разных набора обязанностей: во-первых, читать данные с диска, декодировать изображение и звук и своевременно посылать их графическому и звуковому оборудованию, чтобы при просмотре фильма не было заминок, а, во-вторых, реагировать на действия пользователя, например, на нажатие кнопок «Пауза», «Возврат в меню» и даже «Выход». Если бы приложение было однопоточным, то должно было бы периодически проверять, не было ли каких-то действий пользователя, поэтому код воспроизведения DVD перемежался бы кодом, относящимся к пользовательскому интерфейсу Если же для разделения этих обязанностей использовать несколько потоков, то код интерфейса и воспроизведения уже не будут так тесно переплетены: один поток может заниматься отслеживанием действий пользователя, а другой - воспроизведением. Конечно,