Олег Цилюрик - QNX/UNIX: Анатомия параллелизма

• Название: QNX/UNIX: Анатомия параллелизма
• Автор: Олег Цилюрик
• Жанр: Программное обеспечение
• Год: 2006
• ISBN: 5-93286-088-Х

Книга адресована программистам, работающим в самых разнообразных ОС UNIX. Авторы предлагают шире взглянуть на возможности параллельной организации вычислительного процесса в традиционном программировании. Особый акцент делается на потоках (threads), а именно на тех возможностях и сложностях, которые были привнесены в технику параллельных вычислений этой относительно новой парадигмой программирования. На примерах реальных кодов показываются приемы и преимущества параллельной организации вычислительного процесса. Некоторые из результатов испытаний тестовых примеров будут большим сюрпризом даже для самых бывалых программистов. Тем не менее излагаемые техники вполне доступны и начинающим программистам: для изучения материала требуется базовое знание языка программирования C/C++ и некоторое понимание «устройства» современных многозадачных ОС UNIX.

В качестве «испытательной площадки» для тестовых фрагментов выбрана ОСРВ QNX, что позволило с единой точки зрения взглянуть как на специфические механизмы микроядерной архитектуры QNX, так и на универсальные механизмы POSIX. В этом качестве книга может быть интересна и тем, кто не использует (и не планирует никогда использовать) ОС QNX: программистам в Linux, FreeBSD, NetBSD, Solaris и других традиционных ОС UNIX.

---

Все механизмы параллелизма проектируются (и это находит прямое отражение в POSIX-стандартах, а еще более в текстах комментариев к стандартам) и должны использоваться так, чтобы неявно не допускались какие-либо предположения об относительных скоростях параллельных ветвей и моментах достижения ими (относительно друг друга) конкретных точек выполнения.[4] Так, в программном фрагменте:

void* threadfunc(void* data) {

 // оператор 1:

}

...

pthread_create(NULL, NULL, threadfunc, NULL);

// оператор 2:

...

нельзя допускать никаких априорных предположений о том, как пойдет дальнейшее выполнение после точки ветвления (точки вызова pthread_create()): а) будет выполняться «оператор 2» в родительском потоке; б) будет выполняться «оператор 1» в порожденном потоке; в) на различных процессорах будут действительно одновременно выполняться «оператор 1» и «оператор 2»… Программный код должен быть организован так, чтобы в любых аппаратных конфигурациях (количество процессоров, их скорости, особенности кэширования памяти процессорами и другие характеристики) результаты выполнения были полностью эквивалентны.

Благодаря наличию в составе ОС QNX сетевой подсистемы QNET, органично обеспечивающей «прозрачную» интеграцию сетевых узлов в единую многомашинную систему, возникает дополнительный источник параллелизма (а вместе с тем и дополнительных хлопот), еще более усложняющий общую картину: запросы по QNET к сервисам, работающим на одном сетевом узле, со стороны клиентских приложений, работающих на других. Например, ежедневно выполняя простейшую команду:

# cp /net/host/dev/ser1 ./file

часто ли мы задумываемся над тем, кого и в каком порядке будет вытеснять код, выполняющий копирование файлов.

Для текущей выполняющейся задачи такой удаленный запрос из сети QNET является скрытым источником параллелизма, а благодаря наследованию приоритетов даже удаленный запрос по сети может привести к немедленному вытеснению локальной задачи, выполняющейся до получения запроса.

Приведенная выше аргументация — это далеко не полный перечень причин, по которым стоит еще пристальнее и с большей заинтересованностью взглянуть на техники параллельной организации вычислительного процесса. В литературе неоднократно отмечалось (например, [11]), что даже в тех случаях, когда приложение заведомо никогда и нигде не будет использоваться на многопроцессорной платформе, более того, когда логика приложения не предполагает естественного параллелизма как «одновременности выполнения», — даже тогда расщепление крупного приложения на логические фрагменты, которые построены как параллельные участки кода, взаимодействующие в ограниченном числе точек контакта, — это путь построения «прозрачного» для написания и понятного для сопровождения программного кода. И как следствие, этот путь (иногда на первый взгляд кажущийся несколько искусственным и привнесенным) — путь построения приложений высокой надежности, свободных от ошибок, характерных для громоздких монолитных приложений, и простых в своем последующем развитии и сопровождении.

Как уже неоднократно отмечалось, параллельная техника выражения в программном коде, пусть даже принципиально последовательных процессов, сопряжена с определенными трудностями: необходимость отличного, «параллельного», взгляда на описываемые процессы и отсутствие привычки применять специфические разделы API, редко используемые в классическом «последовательном» программировании. Единожды освоив эту технику, применять ее в дальнейшем становится легко и просто. Возможно и большее число рутинных приемов использования параллельной техники — в своей книге мы постарались «рассыпать» по тексту множество программных иллюстраций.

Наконец, есть еще одна, последняя особенность предлагаемого вашему вниманию материала: значительная часть приводимых здесь примеров и описаний относится ко всему многообразию ОС, поддерживающих POSIX-стандарт, однако акцент делается на не совсем очевидные особенности построения так называемых «приложений реального времени» [4]. В первую очередь это касается принципов синхронизации задач, совместно использующих общий ресурс. К сожалению, приемы программирования, широко распространенные при параллельном выполнении задач общего назначения, могут привести к не совсем предсказуемым результатам (по времени реакции) при построении систем реального времени. Особенности построения параллельно исполняемых систем в сферах реального времени и стали тем ключевым моментом, ориентируясь на который мы строили этот текст.

Семейства API

Общее множество вызовов API (Application Program Interface — интегральное наименование всего множества вызовов из программной среды к услугам операционной системы), реализуемое операционной системой (ОС) реального времени QNX, естественным образом разделяется на три независимых подгруппы:

• Native QNX API — это самодостаточный набор вызовов, развиваемый со времен ранних версий QNX (когда вопрос о совместимости с POSIX еще не стоял); является естественным базисом этой системы, отображающим «микроядерность» ее архитектуры, но по соображениям возможной совместимости и переносимости он является также и исключительной принадлежностью этой ОС.

• POSIX (BSD) API — это уровень API, регламентируемый постоянно расширяющейся системой стандартов группы POSIX, которым должны следовать все ОС, претендующие на принадлежность к семейству UNIX.

• System V API (POSIX) — это та часть API, которая заимствует модели, принятые в UNIX-ax, относящихся к ветви развития System V, а не к ветви BSD.

Native QNX API

Именно этот слой является базовым слоем, реализующим функциональность самой системы QNX. Два последующих слоя в значительной мере являются лишь «обертками», которые ретранслируются в вызовы native QNX API после выполнения реструктуризации или перегруппировки аргументов вызова в соответствии с синтаксисом, требуемым этим вызовом.

Совершенно естественно, что прикладное программное приложение может быть полностью прописано в этом API (как, впрочем, и в каждом другом из описываемых ниже), но это не лучший выбор (на этом акцентирует внимание и техническая документация QNX) по двум причинам: во-первых, из соображений переносимости, а во-вторых, этот слой является самым «мобильным» — разработчики QSSL могут изменить его отдельные вызовы при последующем развитии системы. Примером вызова этого слоя является, в частности, ThreadCreate(), применяемый для создания нового потока.

Тем не менее нужно сразу отметить, что многие возможности и модели (например, реакция на сигналы в потоках, тонкое управление поведением мьютексов и другие моменты) не могут быть реализованы в рамках POSIX-модели и выражаются только в native API QNX.

POSIX (BSD) API

Эта часть API наиболее полно соответствует API ОС UNIX, относящихся к ветви BSD (BSD, FreeBSD, NetBSD и другие).[5] Ее наименование можно было бы сузить до «BSD API», так как описанный далее набор API System V также регламентируется POSIX, но мы будем использовать именно термин «POSIX API», следуя терминологии фундаментальной книги У. Стивенса [2]. Эквивалентом названного выше для native API ThreadCreate() здесь будет выступать pthread_create().

Именно на API этого слоя и будет строиться последующее изложение и приводимые примеры кода (параллельно с вызовами этого API мы будем для справки кое-где указывать имена комплиментарных им вызовов native API), за исключением случаев использования тех возможностей QNX, которые не имеют эквивалентов в POSIX API. Как раз все, что будет выражено в этом API далее по тексту, может быть перенесено на все UNIX-подобные операционные системы, о чем мы и говорили выше.

Примечание

Самый ранний стандарт POSIX известен как IEEE 1003.1–1988 и, как следует из его названия, относится к 1988 году (если точнее, то ему предшествовал рабочий вариант под названием IEEEIX 1986 года, когда термин POSIX еще не был «придуман»). Более поздняя редакция его развития, IEEE 1003.1–1996, наиболее широко известна как «стандарт POSIX», иногда называемый POSIX.1. Набор стандартов POSIX находится в постоянном развитии и расширении и к настоящему времени включает в себя набор более чем из 30 автономных стандартов.

Для целей операционных систем реального времени возникла потребность определить отдельные механизмы особыми стандартами, на семь из которых ссылаются наиболее часто: 1003.1a, 1003.1b, 1003.1c, 1003.1d, 1003.1j, 1003.21, 1003.2h. Например:

1003.1a (OS Definition) — определяет базовые интерфейсы ОС;

1003.1b (Realtime Extensions) — описывает расширения реального времени, такие как модель сигналов реального времени, диспетчеризация по приоритетам, таймеры, синхронный и асинхронный ввод-вывод, IPC-механизмы (семафоры, разделяемая память, сообщения);

1003.1c (Threads) — определяет функции поддержки потоков, такие как управление потоками, атрибуты потоков, примитивы синхронизации (мьютексы, условные переменные, барьеры и др., но не семафоры), диспетчеризация.