Параллельное и распределенное программирование на С++ - Хьюз Камерон
Мы представляем архитектурный подход к управлению параллелизмом в программе, используя преимущества С++-поддержки объектно-ориентированного программирования и универсальности. В частности, С++-средства поддержки наследования, полиморфизма и шаблонов успешно применяются для реализации архитектурных решений и программных компонентов, которые поддерживают параллельность. Методы объектно-ориентированного программирования обеспечивают поддержку десяти типов классов, перечисленных в табл. 11.1.
Таблица 11.1. Типы объектно-ориентированных классов
Шаблонный класс Обобщенный код, который может использовать любой тип; реальный тип является параметром для тела этого кода
Контейнерный класс Класс, используемый для хранения объектов во внутренней или внешней памяти
Виртуальный базовый класс Базовый класс, который служит прямой и/или косвенной основой для создания производных посредством множественного наследования; только одна его копия разделяется всеми его производными классами
Абстрактный класс Класс, который поддерживает интерфейс для производных классов и который может быть использован только в качестве базового; используется как макет для построения других классов
Интерфейсный класс Класс, который используется для установки интерфейса других классов
Узловой класс Класс, функции которого расширены за счет добавления новых членов к тем, которые были унаследованы от базового класса
Доменный класс Класс, созданный для имитации некоторого элемента в конкретной предметной области; значение класса связано с этой предметной областью
Составной класс Класс, который содержит другие классы; имеет с этими классами отношения типа «целое-часть»
Конкретный класс Класс, реализация которого определена, что позволяет объявлять экземпляры этого класса; он не предполагается для использования в качестве базового класса и не прелусматривает попыток создавать операции общего характера
Каркасный класс Класс (или коллекция классов), который имеет предопределенную структуру и представляет обобщенный характер функционирования
Безусловно, эти типы классов особенно полезны для проектов, в которых предполагается реализовать параллельность. Дело в том, что они позволяют внедрить принцип компоновки из стандартных блоков. Мы обычно начинаем с примитивных компонентов, используя их для построения классов синхронизации. Классы синхронизации позволят нам создавать контейнерные и каркасные классы, рассчитанные на безопасное внедрение параллелизма. Каркасные классы представляют собой строительные блоки, предназначенные для таких параллельных архитектур более высокого уровня, как мультиагентные системы и «доски объявлений». На каждом уровне сложность параллельного и распределенного программирования уменьшается благодаря использованию различных типов классов, перечисленных в табл. 11.1.
Итак, начнем с интерфейсного класса. Интерфейсный (или адаптерный) класс испоользуется для модификации или усовершенствования интерфейса другого класса или множества классов. Интерфейсный класс может также выступать в качестве оболочки, созданной вокруг одной или нескольких функций, которые не являются членами конкретного класса Такая роль интерфейсного класса позволяет обеспечить обьектно-ориентированный интерфейс с программным обеспечением, которое необязательно является объектно-ориентированным. Более того, интерфейсные классы позволяют упростить интерфейсы таких библиотек функций, как POSIX threads, PVM и MPI. Мы можем «обернуть» необъектно-ориентированную функцию в объектно-ориеитированный интерфейс; либо мы можем «обернуть» в интерфейсный класс некоторые данные, инкапсулировать их и предоставить им таким образом объектно-ориентированный интерфейс. Помимо упрощения сложности некоторых библиотек функций, интерфейсные классы используются для обеспечения разработчиков ПО согласующимся интерфейсом API (Application Programmer Interface). Например, С++-программисты, которые привыкли работать с iostream-классами, получат возможность выполнять операции ввода-вывода, оперируя категориями обьектно-ориентированпых потоков данных. Кривая обучения существенно минимизируется, если новые методы ввода-вывода описать в виде привычного iostream-представлеиия. Например, мы можем представить библиотеку средств передачи сообщений MPI как коллекцию потоков.
mpi_stream Stream1;
mpi_stream Stream2;
Streaml << Messagel << Message2 << Message3;
Stream2 >> Message4;
//. . .
Нри таком подходе программист может целиком сосредоточиться на логике программы и не ломать голову над соблюдением требований к синтаксису библиотеки MPI.
Как воспользоваться преимуществами интерфейсных классов
Зачастую полезно использовать инкапсуляцию, чтобы скрыть детали библиотек функций и обеспечить создание самодостаточных компонентов, которые годятся для многократного использования. Возьмем для примера мьютекс, который мы рассматривали в главе 7. Вспомним, что мьютекс— это переменная специального типа, ис-пользуемая для синхронизации. Мьютексы позволяют получать безопасный доступ к критическом) разделу данных или кода программы. Существует шесть основных функций, предназначенных для работы с переменной типа pthread_mutex_t (POSIX Threads Mutex).
Все эти функции принимают в качестве параметра указатель на переменную типа pthread_mutex_t. Для инкапсуляции доступа к переменной типа pthread_mutex_t и упрощения вызовов функций, которые обращаются к мьютексным переменным, можно использовать интерфейсный класс. Рассмотрим листинг 11.1, в котором объявляется класс mutex.
// Листинг 11.1. Объявление класса mutex
class mutex{ protected:
pthread_mutex_t *Mutex;
pthread_mutexattr_t *Attr; public:
mutex(void)
int lock(void);
int unlock(void);
int trylock(void);
int timedlock(void);
};
Объявив класс mutex, используем его для определения мьютексных пере м енных. Мы можем объявлять массивы мьютексов и использовать эти пере м енные как члены пользовательских классов. Инкапсулировав пере м енную типа • pthread_mutex_t и мьютексные функции, воспользуемся преимуществами методов объектно-ориентированного программирования. Эти мьютексные переменные можно затем применять в качестве аргументов функций и значений, возвра щ аемых функциями. А поскольку мьютексные функции теперь связаны с переменной типа pthread_mutex_t, то там, где мы используем мьютексную переменную, эти функции также будут доступны.
Функции-члены класса mutex определяются путем заключения в оболочку вызовов соответствующих Pthread-функций, например, так.
// Листинг 11.2. Функции-члены класса mutex
mutex::mutex(void) {
try{
int Value;
Value = pthread_mutexattr_int(Attr); //. . .
Value = pthread_mutex_init(Mutex,Attr); //. . .
}
int mutex::lock(void) {
int RetValue;
RetValue = pthread_mutex_lock(Mutex); //. . .
return(ReturnValue);
}
Благодаря инкапсуляции мы также защищаем переменные типа pthread_mutex_t * и pthread_mutexattr_t *. Другими словами, при вызове методов lock(), unlock(), trylock() и других нам не нужно беспокоиться о том, к каким мьютексным переменным или переменным атрибутов будут применены эти функции. Возможность скрывать информацию (посредством инкапсуляции) позволяет программисту писать вполне безопасный код. С помощью свободно распространяемых версий Рthread-функций этим функциям можно передать любую переменную типа pthread_mutex_t. Однако при передаче одной из этих функций неверно заданного мьютекса может возникнуть взаимоблокировка или отсрочка бесконечной длины. Инкапсуляция переменных типа pthread_mutex_t и pthread_mutexattr_t в к л ассе mutex предостав л яет программисту полный контроль над тем, какие функции получат доступ к этим переменным.
