Глава 12 Многопоточная обработка

Глава 12

Многопоточная обработка

12.0. Введение

В данной главе даются рецепты написания многопоточных программ на C++ с использованием библиотеки Boost Threads, автором которой является Вильям Кемпф (William Kempf). Boost — это набор переносимых, высокопроизводительных библиотек с открытым исходным кодом, неоднократно проверенным программистами, и с широким спектром сложности: от простых структур данных до сложного фреймворка синтаксического анализа. Библиотека Boost Threads обеспечивает фреймворк для многопоточной обработки. Дополнительную информацию по проекту Boost можно найти на сайте www.boost.org.

Стандартом C++ не предусматривается встроенная поддержка многопоточной обработки, поэтому нельзя написать переносимый программный код с многопоточной обработкой, подобно тому как создается переносимый код, использующий такие классы стандартной библиотеки, как string, vector, list и т.д. Однако в библиотеке Boost Threads пройден значительный путь к созданию стандартной, переносимой библиотеки многопоточной обработки, и использование этой библиотеки позволяет свести к минимуму головную боль, вызываемую многими обычными проблемами, связанными с многопоточной обработкой.

Все же в отличие от стандартной библиотеки и библиотек независимых разработчиков применение библиотеки многопоточной обработки нельзя свести к распаковке ее архива, включению операторов #include и написанию программного кода, не требующего особых усилий. Во всех приложениях многопоточной обработки (кроме самых простых) необходимо тщательно подойти к разработке проекта, используя проверенные шаблоны и известные тактические приемы, позволяющие избегать ошибок, неизбежно возникающих в противном случае. В типичном однопоточном приложении обычные ошибки программирования находятся легко: циклы с пропуском одного шага, разыменование нулевого или удаленного указателя, потеря точности при преобразованиях чисел с плавающей точкой и т.д. В программах с многопоточной обработкой ситуация другая. Мало того, что задача отслеживания с помощью отладчика действий нескольких потоков становится очень трудоемкой, многопоточные программы работают недетерминировано, т.е. ошибки могут проявляться только в редких или сложных ситуациях.

Именно по этой причине нельзя рассматривать данную главу как введение в многопоточное программирование. Если вы уже имели опыт многопоточного программирования, но не на C++ или без использования библиотеки Boost Threads, эта глава будет полезна для вас. Однако описание основных принципов многопоточного программирования выходит за рамки этой книги. Если до сих пор вы никогда не занимались многопоточным программированием, по-видимому, вам следует прочитать вводный материал по этой тематике, но такой материал трудно найти, потому что большинство программистов не используют потоки выполнения (хотя, возможно, их и следовало бы применить).

Большая часть документации Boost и некоторые приводимые ниже рецепты при обсуждении классов используют понятия концепции и модели. Концепция — это абстрактное описание чего-то, обычно класса и его поведения, причем не делается никаких предположений относительно реализации. Как правило, сюда входит описание действий при конструировании и уничтожении, а также описание каждого метода с указанием предусловий, параметров и постусловий. Например, концепция мьютекса (Mutex) описывается как нечто допускающее блокирование и разблокирование только одним потоком в данный момент времени. Модель — это конкретная реализация концепции, например класс mutex в библиотеке Boost Threads. Уточнение (refinement) концепции — это некая ее специализация, например ReadWriteMutex, т.е. мьютекс с некоторыми дополнительными возможностями.

Наконец, потоки делают что-то одно из трех: работают, находятся в ожидании чего-то или готовы начать работу, но ничего не ожидают и не выполняют никаких действий. Эти состояния носят названия состояний выполнения (run), ожидания (wait) и готовности (ready). Эти термины я использую в последующих рецептах.