QNX/UNIX: Анатомия параллелизма

Но многозадачное разделение времени — не единственный случай практической реализации параллельных вычислений. В общем случае программа может выполняться в аппаратной архитектуре, содержащей более одного (M) процессора (SMP-системы). При этом возможны принципиально отличающиеся по поведению ситуации:

• Количество параллельных ветвей (процессов, потоков) N больше числа процессоров M, при этом некоторые вычислительные ветви находятся в блокированных состояниях, конкурируя с выполняющимися ветвями за процессорное время. (Частный случай — наиболее часто имеющее место выполнение N ветвей на одном процессоре.)

• Количество параллельных ветвей (процессов, потоков) N меньше числа процессоров M, при этом все ветви вычисления могут развиваться действительно параллельно, а блокированные состояния возникают только при необходимости синхронизации и обмена данными между параллельными ветвями.

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:

4

Это положение напрямую диктуется определением «слабосвязанных процессов», впервые сформулированным Э. Дейкстрой [10]. Заметим, что фундаментальная и стройная «картина мира», выстроенная Э. Дейкстрой и считающаяся классикой, исчерпывающе («необходимо и достаточно») описывает систему процессов равного приоритета. Расширение реальных систем атрибутом приоритета затуманивает прозрачность этой модели и делает все гораздо сложнее…

 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.

5

На сегодняшний день практически ни одна из ОС UNIX уже не может быть отнесена чисто к System V или BSD, во многом исходя именно из требования совместимости с POSIX, который требует одновременного наличия и того и другого API (хотя в каждом случае комплиментарный набор API реализуется как «обертка» к базовому). Одними из первых (к 1997–1998 гг.) ОС, поддерживающих оба набора API, стали Sun Solaris 2.6 и Digital Unix 4.0B [3].