Итак, что же я понимаю под параллелизмом и многопоточностью?
1.1. Что такое параллелизм?
Если упростить до предела, то параллелизмэто одновременное выполнение двух или более операций. В жизни он встречается на каждом шагу: мы можем одновременно идти и разговаривать или одной рукой делать одно, а второйдругое. Ну и, разумеется, каждый из нас живет своей жизнью независимо от другихвы смотрите футбол, я в это время плаваю и т.д.
1.1.1. Параллелизм в вычислительных системах
Говоря о параллелизме в контексте компьютеров, мы имеем в виду, что одна и та же система выполняет несколько независимых операций параллельно, а не последовательно. Идея не нова: многозадачные операционные системы, позволяющие одновременно запускать на одном компьютере несколько приложений с помощью переключения между задачами уже много лет как стали привычными, а дорогие серверы с несколькими процессорами, обеспечивающие истинный параллелизм, появились еще раньше. Новым же является широкое распространение компьютеров, которые не просто создают иллюзию одновременного выполнения задач, а действительно исполняют их параллельно.
Исторически компьютеры, как правило, оснащались одним процессором с одним блоком обработки, или ядром, и это остается справедливым для многих настольных машин и по сей день. Такая машина в действительности способна исполнять только одну задачу в каждый момент времени, по может переключаться между задачами много раз в секунду. Таким образом, сначала одна задача немножко поработает, потом другая, а в итоге складывается впечатление, будто все происходит одновременно. Это называется переключением задач. Тем не менее, и для таких систем мы можем говорить о параллелизме: задачи сменяются очень часто и заранее нельзя сказать, в какой момент процессор приостановит одну и переключится на другую. Переключение задач создает иллюзию параллелизма не только у пользователя, но и у самого приложения. Но так как это всего лишь иллюзия, то между поведением приложения в однопроцессорной и истинно параллельной среде могут существовать топкие различия. В частности, неверные допущения о модели памяти (см. главу 5) в однопроцессорной среде могут не проявляться. Подробнее эта тема рассматривается в главе 10.
Компьютеры с несколькими процессорами применяются для организации серверов и выполнения высокопроизводительных вычислений уже много лет, а теперь машины с несколькими ядрами на одном кристалле (многоядерные процессоры) все чаще используются в качестве настольных компьютеров. И неважно, оснащена машина несколькими процессорами или одним процессором с несколькими ядрами (или комбинацией того и другого), она все равно может исполнять более одной задачи в каждый момент времени. Это называется аппаратным параллелизмом.
На рис. 1.1 показан идеализированный случай: компьютер, исполняющий ровно две задачи, каждая из которых разбита на десять одинаковых этапов. На двухъядерной машине каждая задача может исполняться в своем ядре. На одноядерной машине с переключением задач этапы той и другой задачи чередуются. Однако между ними существует крохотный промежуток времени (на рисунке эти промежутки изображены в виде серых полосок, разделяющих более широкие этапы выполнения) чтобы обеспечить чередование, система должна произвести контекстное переключение при каждом переходе от одной задачи к другой, а на это требуется время. Чтобы переключить контекст, ОС должна сохранить состояние процессора и счетчик команд для текущей задачи, определить, какая задача будет выполняться следующей, и загрузить в процессор состояние новой задачи. Не исключено, что затем процессору потребуется загрузить команды и данные новой задачи в кэш-память; в течение этой операции никакие команды не выполняются, что вносит дополнительные задержки.
Рис. 1.1. Два подхода к параллелизму: параллельное выполнение на двухъядерном компьютере и переключение задач на одноядерном
Хотя аппаратная реализация параллелизма наиболее наглядно проявляется в многопроцессорных и многоядерных компьютерах, существуют процессоры, способные выполнять несколько потоков на одном ядре. В действительности существенным фактором является количество аппаратных потоков характеристика числа независимых задач, исполняемых оборудованием по-настоящему одновременно. И наоборот, в системе с истинным параллелизмом количество задач может превышать число ядер, тогда будет применяться механизм переключения задач. Например, в типичном настольном компьютере может быть запущено несколько сотен задач, исполняемых в фоновом режиме даже тогда, когда компьютер по видимости ничего не делает. Именно за счет переключения эти задачи могут работать параллельно, что и позволяет одновременно открывать текстовый процессор, компилятор, редактор и веб-браузер (да и вообще любую комбинацию приложений). На рис. 1.2 показано переключение четырех задач на двухъядерной машине, опять-таки в идеализированном случае, когда задачи разбиты на этапы одинаковой продолжительности. На практике существует много причин, из-за которых разбиение неравномерно и планировщик выделяет процессор каждой задаче не столь регулярно. Некоторые из них будут рассмотрены в главе 8 при обсуждении факторов, влияющих на производительность параллельных программ.
Рис. 1.2. Переключение задач на двухъядерном компьютере
Все рассматриваемые в этой книге приемы, функции и классы применимы вне зависимости оттого, исполняется приложение на машине с одноядерным процессором или с несколькими многоядерными процессорами. Не имеет значения, как реализован параллелизм: с помощью переключения задач или аппаратно. Однако же понятно, что способ использования параллелизма в приложении вполне может зависеть от располагаемого оборудования. Эта тема обсуждается в главе 8 при рассмотрении вопросов проектирования параллельного кода на С++.
1.1.2. Подходы к организации параллелизма
Представьте себе пару программистов, работающих над одним проектом. Если они сидят в разных кабинетах, то могут мирно трудиться, не мешая друг другу, причем у каждого имеется свой комплект документации. Но общение при этом затруднено вместо того чтобы просто обернуться и обменяться парой слов, приходится звонить по телефону, писать письма или даже встать и дойти до коллеги. К тому же, содержание двух кабинетов сопряжено с издержками, да и на несколько комплектов документации надо будет потратиться.
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 приложениеразбить 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 недостатокнеустранимые накладные расходы на запуск нескольких процессов: для запуска процесса требуется время, ОС должна выделить внутренние ресурсы для управления процессом и т.д.