Лекция: Использование потоков.

Основной причиной необходимости потока является выполнение большинством приложений существенного числа действий, некоторые из них могут время от времени блокироваться. Схему

программы можно существенно упростить, если разбить приложение на несколько последовательных потоков, запущенных в квазипараллельном режиме.

Еще один плюс потоков является легкость их создания и уничтожения (поскольку с потоком не связаны никакие ресурсы). В большинстве систем на создание потока уходит примерно в 100 раз меньше времени, чем на создание процесса. Это свойство особенно полезно, если необходимо динамическое и быстрое изменение числа потоков.

Третьим аргументом является производительность. Концепция потоков не дает увеличения производительности, если все они ограничены возможностями процессора. Но когда имеется одновременная потребность в выполнении большого объема вычислений и операций ввода-вывода, наличие потоков позволяет совмещать эти виды деятельности во времени, тем самым увеличивая общую скорость работы приложения.

Потоки дают возможность сохранить модель последовательных процессов, выполняющих блокирующие системные запросы (например, для ввода-вывода с диска), и тем не менее добиться параллелизма. Системные запросы с блокировкой упрощают программирование, а параллелизм увеличивает производительность. Однопоточный сервер сохраняет простоту программирования, связанную с наличием блокирующих системных запросов, но уступает в производительности. Модель конечного автомата существенно повышает производительность при помощи параллелизма, но использует системные запросы без блокировки, что усложняет программирование.

Концепция потоков полезна в системах с несколькими процессорами, где возможен настоящий параллелизм. Возьмем в качестве первого примера текстовый редактор. Большинство текстовых

редакторов выводят текст на экран монитора в том виде, в котором он будет напечатан. В частности, разрывы строк и страниц находятся на своих местах, и пользователь может при необходимости их откорректировать (например, удалить неполные строки вверху и внизу страницы, неприемлемые с эстетической точки зрения). Представьте себе, что пользователь пишет книгу. С точки зрения автора проще всего хранить книгу в одном файле, чтобы легче было искать отдельные разделы, выполнять глобальную замену и т. п. С другой стороны, можно хранить каждую главу в отдельном файле. Но было бы крайне неудобно хранить каждый раздел и параграф в своем файле — в случае глобальных изменений пришлось бы редактировать сотни файлов. Например, если предполагаемый стандарт ххх был утвержден только перед отправкой книги в печать, придется заменять «Черновой стандарт ххх» на «Стандарт ххх» в последнюю минуту. Эта операция делается одной командой в случае одного файла и, напротив, займет очень много времени, если придется редактировать каждый из 300 файлов, на которые разбита книга. Теперь представьте себе, что произойдет, если пользователь удалит одно предложение на первой странице документа, в котором 800 страниц. Пользователь перечитал эту страницу и решил исправить предложение на 600-й странице. Он дает команду текстовому редактору перейти на страницу с номером 600 (например, задав поиск фразы, встречающейся только на этой странице). Текстовому редактору придется переформатировать весь документ вплоть до 600 страницы, поскольку до форматирования он не будет знать, где начинается эта страница. Это может занять довольно много времени. В этом случае помогут потоки. Пусть текстовый редактор написан в виде двухпоточной программы. Один поток взаимодействует с пользователем, а второй переформатирует документ в фоновом режиме. Как только предложение на первой странице было удалено, интерактивный поток дает команду фоновому потоку переформатировать весь документ. В то время как первый поток продолжает отслеживать и выполнять команды с клавиатуры или мыши — предположим, прокручивает первую страницу, — второй поток быстро переформатирует книгу. Немного везения — и форматирование будет закончено раньше, чем пользователь захочет перейти к 600 странице, и тогда команда будет выполнена мгновенно. Большинство текстовых редакторов автоматически сохраняет редактируемый текст раз в несколько минут, чтобы пользователь не лишился плодов работы целого дня в случае аварийного завершения программы, отказа системы или перебоев с питанием. Этим может заниматься третий поток, не отвлекая два оставшихся. Если бы программа была однопоточной, тогда при каждой операции сохранения файла все команды с клавиатуры и мыши игнорировались до окончания дисковой операции. У пользователя это создало бы впечатление низкой производительности. В качестве альтернативы команды с клавиатуры и мыши могут прерывать сохранение файла, обеспечивая высокую производительность, но приводя к сложной программной модели, управляемой прерываниями. Программная модель с тремя потоками существенно проще. Первый поток взаимодействует с пользователем, второй при необходимости переформатирует документ, а третий периодически сохраняет на диске содержимое оперативной памяти. Теперь давайте рассмотрим еще одну ситуацию, в которой необходимы потоки: сервер web-сайта. На сервер приходят запросы, и клиенту отсылается содержимое запрашиваемых web-страниц. У большинства web-сайтов некоторые страницы существенно более посещаемы, чем другие. Способ организации web-сервера: Один поток, называемый диспетчером, считывает приходящие по сети запросы. После этого он находит свободный (то есть блокированный) рабочий поток и передает ему запрос, скажем, записывая указатель сообщения в специальное слово, связанное с каждым потоком. Затем диспетчер активизирует ждущий поток, переводя его из состояния блокировки в состояние готовности. После активации рабочий поток проверяет возможность удовлетворения запроса в кэше web-страниц, к которому имеют доступ все потоки. В случае отрицательного ответа поток начинает операцию чтения read, чтобы считать страницу с диска, и блокируется до завершения этой операции. Когда рабочий поток блокируется, для запуска выбирается следующий поток, им может оказаться диспетчер или другой готовый рабочий поток. Эта модель позволяет создать сервер в виде набора последовательных потоков. Программа диспетчера состоит из бесконечного цикла, в который входит получение запроса и передача его рабочему потоку. Программа каждого рабочего потока состоит из бесконечного цикла, включающего получение запроса от диспетчера и проверку кэша на наличие запрашиваемой страницы. При наличии страницы в кэше она отсылается клиенту, и рабочий процесс блокируется в ожидании нового запроса. При отсутствии страницы в кэше она считывается с диска, отсылается клиенту, и рабочий процесс блокируется в ожидании нового запроса. Третий пример необходимости потоков — приложения, оперирующие большим количеством данных. Обычно считывается блок данных, обрабатывается и снова записывается. Проблема состоит в том, что при наличии только системных запросов с блокировкой процесс будет блокироваться при чтении и записи данных. Необходимо избегать простоя процессора, особенно при таком большом объеме вычислений. Решение проблемы — в потоках. Процесс можно разбить на входной поток, обрабатывающий поток и выходной поток. Входной поток считывает данные и помещает их во входной буфер. Обрабатывающий поток считывает данные из входного буфера, обрабатывает их и помещает в выходной буфер, а выходной поток считывает их оттуда и записывает обратно на диск. В такой модели считывание данных, обработка и запись происходят одновременно. Разумеется, это возможно лишь в том случае, когда системные вызовы блокируют только вызывающий поток, а не весь процесс.