Параллельное и распределенное программирование на С++

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.

Теперь мы можем использовать такой встроенный интерфейсный класс, как mutex, в любых других пользовательских классах, предназначенных для безопасной обработки потоков выполнения. Предположим, мы хотели бы создать очередь с многопоточной поддержкой и многопоточный класс pvm_stream. Очередь будем использовать для хранения поступающих событий для множества потоков, образованных в программе. На некоторые потоки возложена ответственность за отправку сообщений различным PVM-задачам. PVM-задачи и потоки выполняются параллельно. Несколько потоков выполнения разделяют единственный PVM-класс и единственную очередь событий. Отношения между потоками, PVM-задачами, очередью событий и классом pvm_stream показаны на рис. 11.1.

Очередь, показанная на рис. 11.1, представляет собой критический раздел, поскольку она совместно используется несколькими выполняемыми потоками. Класс pvm_stream — это также критический раздел и по той же причине. Если эти критические разделы не синхронизировать и не защитить, то данные в очереди и классе pvm_stream могут разрушиться. Тот факт, что несколько потоков могут одновременно обновлять либо очередь, либо код класса pvm_stream, открывает среду для «гонок». Чтобы не допустить этого, мы должны обеспечить нашу очередь и к л асс pvm_stream встроенны м и средства м и блокировки и разблокировки. Эти средства также поддерживаются классом mutex. На рис. 11.2 показана диаграмма классов для наших пользовательских классов x_queue и pvm_stream.

Обратите внимание на то, что класс x_queue содержит к л асс мьютекс, т.е. между классами x_queue и мьютекс существует отношение агрегирования. Любая операция, которая изменяет состояние наше г о к л асса x_queue, может привести к «гонкам» данных, если, конечно, эгу операцию не синхронизировать. Следовательно, операции, которые добавляют объект в очередь или удаляют его из нее, являются кандидатами для синхронизации. В листинге 11.3 приведено объявление к л асса x_queue как шаблонного.

Рис.11.1. Отношения между потоками, PVM-задачами, очередью событий и классом pvm_stream в PVM-программе

Рис.11.2. Диаграмма классов для пользовательских классов x_queue и pvm_stream

// Листинг 11.3. Объявление класса x_queue

template <class T> x_queue class{

protected:

queue<T> EventQ;

mutex Mutex;

//...

public:

bool enqueue(T Object);

T dequeue(void);

//...

};

Метод enqueue используется для добавления элементов в очередь, а метод dequeue — для удаления их из очереди. Каждый из этих методов рассчитан на использование oбъeктaMutex. Определение этих методов приведено в листинге 11.4.

// Листинг 11.4. Определение методов enqueue и dequeue

tempIate<class T> bool x_queue<T>::enqueue(T Object)

{

Mutex.lock; EventQ.push(Object); Mutex.unlock;

}

Leinplr.te<class T> T x_queue<T>::dequeue(void)

{

T Object; //. . .

Mutex.lock;

Object = EventQ.front

EventQ.pop;

Mutex.unlock ;

//. . .

return(Object);

}

Теперь очередь может функционировать (принимать новые элементы и избавляться от ненужных) в многопоточной среде. ПотокВ (см. рис.11.1) добавляет элементы в очередь, а потокА удаляет их оттуда. Класс mutex является интерфейсным классом. Он заключает в оболочку функции pthread_mutex_lock , pthread_mutex_unlock , pthread_mutex_init и pthread_mutex_trylock. Класс x_queue также является интерфейсным, поскольку он адаптирует интерфейс для встроенного класса queue<T> . Прежде всего, он заменяет интерфейсы методов push и pop методами enqueue и dequeue . При этом операции вставки и удаления элементов из очереди заключаются между вызовами методов Mutex.lock и Mutex.unlock. Поэтому в первом случае мы используем интерфейсный класс для инкапсуляции переменных типа pthread_mutex_t* и pthread_mutexattr_t*, а также заключаем в интерфейсную оболочку несколько функций из библиотеки Pthread. А во втором случае мы используем интерфейсный класс для адаптации интерфейса класса queue<T>. Еще одно достоинство класса mutex состоит в том, что его легко использовать в других классах, которые содержат критические разделы или области.

Класс pvm_stream (см. рис. 11 1) также является критическим разделом, поскольку оба потока выполнения (А и В) имеют доступ к потоку данных. Опасность возникновения «гонок» данных здесь вполне реальна, поскольку потокА и поток В могут получить доступ к потоку данных одновременно. Следовательно, мы используем класс mutex в нашем классе pvm_stream для обеспечения необходимой синхронизации.

// Листинг 11.5. Объявление класса pvm_stream

class pvm_stream{

protected:

mutex Mutex;