Читаем Параллельное и распределенное программирование на С++ онлайн бесплатно

Annotation

В книге представлен архитектурный подход к распределенному и параллельному программированию с использованием языка С++. Здесь описаны простые методы программирования параллельных виртуальных машин и основы разработки кластерных приложений. Эта книга не только научит писать программные компоненты, предназначенные для совместной работы в сетевой среде, но и послужит надежным «путеводителем» по стандартам для программистов, которые занимаются многозадачными и многопоточными приложениями. Многолетний опыт работы привел авторов книги к использованию агентно-ориентированной архитектуры, а для минимизации затрат на обеспечение связей между объектами системы они предлагают применить методологию «классной доски».

Эта книга адресована программистам, проектировщикам и разработчикам программных продуктов, а также научным работникам, преподавателям и студентам, которых интересует введение в параллельное и распределенное программирование с использованием языка С++.

Параллельное и распределенное программирование на С++

Введение

Этапы большого пути

Подход

Почему именно С++

Библиотеки для параллельного и распределенного программирования

Новый единый стандарт спецификаций UNIX

Для кого написана эта книга

Среды разработки

Дополнительный материал

Диаграммы UML

Профили программы

Параграфы

Тестирование кода и его надежность

Ждем ваших отзывов!

Благодарности

Преимущества параллельного программирования

Что такое параллелизм

Два основных подхода к достижению параллельности

Преимущества параллельного программирования

Простейшая модель параллельного программирования (PRAM)

Простейшая классификация схем параллелизма

Преимущества распределенного программирования

Простейшие модели распределенного программирования

Мультиагентные распределенные системы

Минимальные требования

Декомпозиция

Связь

Синхронизация

Базовые уровни программного параллелизма

Параллелизм на уровне инструкций

Параллелизм на уровне подпрограмм

Параллелизм на уровне объектов

Параллелизм на уровне приложений

Отсутствие языковой поддержки параллелизма в С++

Варианты реализации параллелизма с помощью С++

Стандарт MPI

PVM: стандарт для кластерного программирования

Стандарт CORBA

Реализации библиотек на основе стандартов

Среды для параллельного и распределенного программирования

Резюме

Проблемы параллельного и распределенного программирования

Кардинальное изменение парадигмы

Проблемы координации

Проблема № 1 : «гонка» данных

Проблема № 2: бесконечная отсрочка

Проблема №3: взаимоблокировка

Проблема №4: трудности организации связи

Отказы оборудования и поведение ПО

Негативные последствия излишнего параллелизма и распределения

Выбор архитектуры

Различные методы тестирования и отладки

Связь между параллельным и распределенным проектами

Резюме

Разбиение С++ программ на множество задач

Определение процесса

Два вида процессов

Блок управления процессами

Анатомия процесса

Состояния процессов

Планирование процессов

Стратегия планирования

Использование утилиты ps

Установка и получение приоритета процесса

Переключение контекста

Создание процесса

Отношения между родительскими и сыновними процессами

Утилита pstree

Использование системной функции fork

Использование семейства системных функций exec

Функции execl

Функции execv

Определение ограничений для функций exec

Чтение и установка переменных среды

Использование POSIX-функций для порождения процессов

Идентификация родительских и сыновних процессов с помощью функций управления процессами

Завершение процесса

Функции exit , kill и abort

Ресурсы процессов

Типы ресурсов

POSIX-функции для установки ограничений доступа к ресурсам

Асинхронные и синхронные процессы

Создание синхронных и асинхронных процессов с помощью функций fork , exec , system и posix_spawn

Функция wait

Разбиение программы на задачи

Линии видимого контура

Резюме

Разбиение C++ программ на множество потоков

Определение потока

Контекстные требования потока

Сравнение потоков и процессов

Различия между потоками и процессами

Потоки, управляющие другими потоками

Преимущества использования потоков

Переключение контекста при низкой (ограниченной) доступности процессора

Возможности повышения производительности приложения

Простая схема взаимодействия между параллельно выполняющимися потоками

Упрощение структуры программы

Недостатки использования потоков

Потоки могут легко разрушить адресное пространство процесса

Один поток может ликвидировать целую программу

Потоки не могут многократно использоваться другими программами

Анатомия потока

Атрибуты потока

Планирование потоков

Состояния потоков

Планирование потоков и область конкуренции

Стратегия планирования и приоритет

Изменение приоритета потоков

Ресурсы потоков

Модели создания и функционирования потоков

Модель делегирования

Модель с равноправными узлами

Модель конвейера

Модель «изготовитель-потребитель»

Модели SPMD и МРМD для потоков

Введение в библиотеку Pthread

Анатомия простой многопоточной программы

Компиляция и компоновка многопоточных программ

Создание потоков

Получение идентификатора потока

Присоединение потоков

Создание открепленных потоков

Использование объекта атрибутов

Создание открепленных потоков с помощью объекта атрибутов

Управление потоками

Завершение потоков

Точки аннулирования потоков

Очистка перед завершением

Управление стеком потока

Установка атрибутов планирования и свойств потоков

Установка области конкуренции потока

Использование функции sysconf

Управление критическими разделами

Безопасность использования потоков и библиотек

Разбиение программы на несколько потоков

Использование модели делегирования

Использование модели сети с равноправными узлами

Использование модели конвейера

Использование модели «изготовитель-потребитель»

Создание многопоточных объектов

Резюме

Синхронизация параллельно выполняемых задач

Координация порядка выполнения потоков

Взаимоотношения между синхронизируемыми задачами

Отношения типа старт-старт (CC)

Отношения типа финиш-старт (ФС)

Отношения типа старт-финиш (СФ)

Отношения типа финиш-финиш (ФФ)

Синхронизация доступа к данным

Модель РРАМ

Параллельный и исключающий доступ к памяти

Что такое семафоры

Операции по управлению семафором

Мьютексные семафоры

Использование мьютексного атрибутного объекта

Использование мьютексных семафоров для управления критическими разделами

Блокировки для чтения и записи

Использование блокировок чтения-записи для реализации стратегии доступа

Условные переменные

Использование условных переменных для управления отношениями синхронизации

Объектно-ориентированный подход к синхронизации

Резюме

Объединение возможностей параллельного программирования и C++ средств на основе PVM

Классические модели параллелизма, поддерживаемые системой PVM

Библиотека PVM для языка С++

Компиляция и компоновка C++/PVM-npoгpaмм

Выполнение PVM-программы в виде двоичного файла

Запуск PVM-программ c помощью PVM-консоли

Запуск PVM-программ c помощью XPVM

Требования к PVM-программам

Объединение динамической С++-библиотеки c библиотекой PVM

Методы использования PVM-задач

Реализация модели SPMD (SIMD) c помощью PVM-и С++-средств

Реализация модели MPMD (MIMD) с помощью PVM-и С++-средств

Базовые механизмы PVM

Функции управления процессами

Упаковка и отправка сообщений

Доступ к стандартному входному потоку (stdin) и стандартному выходному потоку (stdout) со стороны PVM-задач

Получение доступа к стандартному выходному потоку (cout) из сыновней задачи

Резюме

Обработка ошибок, исключительных ситуаций и надежность программного обеспечения

Надежность программного обеспечения

Отказы в программных и аппаратных компонентах

Определение дефектов в зависимости от спецификаций ПО

Обработка ошибок или обработка исключительных ситуаций?

Надежность ПО: простой план

План А: модель возобновления, план Б: модель завершения

Использование объектов отображения для обработки ошибок

Механизмы обработки исключительных ситуаций в С++

Классы исключений

Классы runtime__error

Классы logic_error

Выведение новых классов исключений

Защита классов исключений от исключительныхситуаций

Диаграммы событий, логические выражения и логические схемы

Резюме

Распределенное объектно-ориентированное программирование

Декомпозиция задачи и инкапсуляция ее решения

Взаимодействие между распределенными объектами

Синхронизация взаимодействия локальных и удаленных объектов

Обработка ошибок и исключений в распределенной среде

Доступ к объектам из других адресных пространств

. IOR-доступ к удаленным объектам

Брокеры объектных запросов (ORB)

Язык описания интерфейсов (IDL):более «пристальный» взгляд на CORBA-объекты

Анатомия базовой CORBA-программы потребителя

Анатомия базовой CORBA-программы изготовителя

Базовый npoeкт CORBA-приложения

IDL-компилятор

Получение IOR-ссылки для удаленных объектов

Служба имен

Использование службы имен и создание именных контекстов

Служба имен «потребитель-клиент»

Подробнее об объектных адаптерах

Хранилища реализаций и интерфейсов

Простые pacnpeделенные Web-службы, использующие CORBA-спецификацию

Маклерская служба

Парадигма «клиент-сервер»

Резюме

Реализация моделей SPMD и MPMD с помощью шаблонов и MPI-программирования

Декомпозиция работ для MPI-интерфейса

Дифференциация задач по рангу

Группирование задач по коммуникаторам

Анатомия MPI-задачи

Использование шаблонных функций для представления MPI-задач

Реализация шаблонов и модельБРМО (типы данных)

Использование полиморфизмадля реализации MPMD-модели

Введение MPMD-модели c помощью функций -объектов

Как упростить взаимодействие между MPI-задачами

Перегрузка операторов «<<» и «>>» для организации взаимодействия между MPI-задачами

Резюме

Визуализация проектов параллельных и распределенных систем

Визуализация структур

Классы и объекты

Отображение информации об атрибутах и операциях класса

Организация атрибутов и операций

Шаблонные классы

Отношения между классами и объектами

Интерфейсные классы

Организация интерактивных объектов

Отображение параллельного поведения

Сотрудничество объектов

Процессы и потоки

Отображение нескольких потоков выполнения и взаимодействия между ними

Последовательность передачи сообщений между объектами

Деятельность объектов

Конечные автоматы

Параллельные подсостояния

Распределенные объекты

Визуализация всей системы

Визуализация развертывания систем

Архитектура системы

Резюме

Проектирование компонентов для поддержки параллелизма

Как воспользоваться преимуществами интерфейсных классов

Подробнее об объектно-ориентированном взаимном исключении и интерфейсных классах

«Полуширокие» интерфейсы

Поддержка потокового представления

Перегрузка операторов "«" и "»" для PVM-потоков данных

Пользовательские классы, создаваемые для обработки PVM-потоков данных

Объектно-ориентированные каналы и FIFO-очереди как базовые элементы низкого уровня

Связь каналов c iostream-объектами с помощью дескрипторов файлов

Доступ к анонимным каналам c использованием итератора ostream_iterator

FIFO-очереди (именованные каналы),

Интерфейсные FIFO-классы

Каркасные классы

Резюме

Реализация агентно-ориентированных архитектур

Что такое агенты

Агенты: исходное определение

Типы агентов

В чем состоит разница между объектами и агентами

Понятие об агентно-ориентированном программировании

Роль агентов в распределенном программировании

Агенты и параллельное программирование

Базовые компоненты агентов

Когнитивные структуры данных

Методы рассуждений

Реализация агентов в С++

Типы данных предположений и структуры убеждений

Класс агента

Цикл активизации агента

Простая автономность

12.6. Резюме

Реализация технологии «классной доски» с использованием PVM-средств, потоков и компонентов

Модель «классной доски»

Методы структурирования «классной доски»

Анатомия источника знаний

Стратегии управления для «классной доски»

Реализация модели «классной доски» с помощью CORBA-объектов

Пример использования CORBA-объекта «классной доски»

Реализация интерфейсного класса black_board

Порождение источников знаний в конструкторе «классной доски»

Порождение источников знаний с помощью PVM-задач

Связь «классной доски» и источников знаний

Активизация источников знаний с помощью POSIX-функции spawn

Реализация модели «классной доски» с помощью глобальных объектов

Активизация источников знаний с помощью потоков

Резюме

Приложение A

Диаграммы классов и объектов

Диаграммы взаимодейс т вия

Диаграммы сотрудничества

Диаграммы последовательностей

A.2.3. Диаграммы видов деятельности

A.3. Диаграммы состояний

A.4. Диаграммы пакетов

Приложение Б [26]

posix_spawn, posix_spawnp

posix_spawn_file_actions_addclose, posix_spawn_file_actions_addopen

posix_spawn_file_actions_adddup2

posix_spawn_file_actions_destroy, posix_spawn_file_actions_init

posix_spawnattr_destroy, posix_spawnattr_init

posix_spawnattr_getflags, posix_spawnattr_setflags

posix_spawnattr_getpgroup, posix_spawnattr_setpgroup

posix_spawnattr_getschedparam, posix_spawnattr_setschedparam

posix_spawnattr_getschedpolicy, posix_spawnattr_setschedpolicy

posix_spawnattr_getsigdefault, posix_spawnattr_setsigdefault

posix_spawnattr_getsigmask, posix_spawnattr_setsigmask

pthread_attr_destroy, pthread_attr_init

pthread_attr_getdetachstate, pthread_attr__setdetachstate

pthread_attr_getguardsize, pthread_attr_setguardsize

pthread_attr_getinheritsched, pthread_attr_setinheritsched

pthread_attr_getschedparam, pthread_attr_setschedparam

pthread_attr_getschedpolicy, pthread_attr_setschedpolicy

pthread_cancel

pthread_cleanup_pop, pthread_cleanup_push

pthread_cond_broadcast,pthread_cond_signal

pthread_cond_destroy, pthread_cond_init

pthread_cond_timedwait, pthread_cond_wait

pthread_condattr_destroy, pthread_condattr_init

pthread_condattr_getpshared, pthread_condattr_setpshared

pthread_create

pthread_detach

pthread_exit

pthread_getconcurrency, pthread_setconcurrency

pthread_getschedparam, pthread_setschedparam

pthread_join

pthread_mutex_destroy, pthread_mutex_init

pthread_mutex_getprioceiling, pthread_mutex_setprioceiling

pthread_mutex_lock, pthread_mutex_trylock, pthread_mutex_unlock

pthread_mutex_timedlock

pthread_mutexattr_destroy

pthread_mutexattr_getprioceiling, pthread_mutexattr_setprioceiling

pthread_mutexattr_setprotocol, pthread_mutexattr_getprotocol

pthread_mutexattr_getpshared, pthread_mutexattr_setpshared

pthread_mutexattr_gettype, pthread_mutexattr_settype

pthread_once

pthread_rwlock_destroy, pthread_rwlock_init

pthread_rwlock_rdlock, pthread_rwlock_tryrdlock

pthread_rwlock_timedrdlock

pthread_rwlock_timedwrlock

pthread_rwlock_trywrlock, pthread_rwlock_wrlock

pthread_rwlock_unlock

pthread_rwlockattr_destroy, pthread_rwlockattr_init

pthread_rwlockattr_getpshared, pthread_rwlockattr_setpshared

pthread_self

pthread_setcancelstate, pthread_setcanceltype, pthread_testcancel

pthread_setschedprio

notes

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

Параллельное и распределенное программирование на С++