Манера одеваться за последние 100 лет сильно изменилась, и различия между областями, когда-то столь разительные, сгладились. Теперь трудно отличить друг от друга даже выходцев с разных континентов. Но можно взглянуть на это и с оптимизмом — мы обменяли культурное и визуальное разнообразие на иное устройство личной жизни — основанное на многостороннем и стремительном технологическом и интеллектуальном развитии.
Издательство Manning откликается на новации, инициативы и курьезы в компьютерной отрасли обложками своих книг, на которых представлено широкое разнообразие местных укладов и театральной жизни в позапрошлом веке. Мы возвращаем его в виде иллюстраций из этой коллекции.
Глава 1.
Здравствуй, параллельный мир!
■ Что понимается под параллелизмом и многопоточностью.
■ Зачем использовать параллелизм и многопоточность в своих приложениях.
■ Замечания об истории поддержки параллелизма в С++.
■ Структура простой многопоточной программы на С++.
Для программистов на языке С++ настали радостные дни. Спустя тринадцать лет после публикации первой версии стандарта С++ в 1998 году комитет по стандартизации С++ решил основательно пересмотреть как сам язык, так и поставляемую вместе с ним библиотеку. Новый стандарт С++ (обозначаемый С++11 или С++0х), опубликованный в 2010 году, несёт многочисленные изменения, призванные упростить программирование на С++ и сделать его более продуктивным.
К числу наиболее существенных новшеств в стандарте С++11 следует отнести поддержку многопоточных программ. Впервые комитет официально признал существование многопоточных приложений, написанных на С++, и включил в библиотеку компоненты для их разработки. Это позволит писать на С++ многопоточные программы с гарантированным поведением, не полагаясь на зависящие от платформы расширения. И как раз вовремя, потому что разработчики, стремясь повысить производительность приложений, все чаще посматривают в сторону параллелизма вообще и многопоточного программирования в особенности.
Эта книга о том, как писать на С++ параллельные программы с несколькими потоками и о тех средствах самого языка и библиотеки времени выполнения, благодаря которым это стало возможно. Я начну с объяснения того, что понимаю под параллелизмом и многопоточностью и для чего это может пригодиться в приложениях. После краткого отвлечения на тему о том, когда программу не следует делать многопоточной, я в общих чертах расскажу о поддержке параллелизма в С++ и закончу главу примером простой параллельной программы. Читатели, имеющие опыт разработки многопоточных приложений, могут пропустить начальные разделы. В последующих главах мы рассмотрим более сложные примеры и детально изучим библиотечные средства. В конце книги приведено подробное справочное руководство по всем включенным в стандартную библиотеку С++ средствам поддержки многопоточности и параллелизма.
Итак, что же я понимаю под параллелизмом и многопоточностью?
1.1. Что такое параллелизм?
Если упростить до предела, то параллелизм — это одновременное выполнение двух или более операций. В жизни он встречается на каждом шагу: мы можем одновременно идти и разговаривать или одной рукой делать одно, а второй — другое. Ну и, разумеется, каждый из нас живет своей жизнью независимо от других — вы смотрите футбол, я в это время плаваю и т.д.
1.1.1. Параллелизм в вычислительных системах
Говоря о параллелизме в контексте компьютеров, мы имеем в виду, что одна и та же система выполняет несколько независимых операций параллельно, а не последовательно. Идея не нова: многозадачные операционные системы, позволяющие одновременно запускать на одном компьютере несколько приложений с помощью переключения между задачами уже много лет как стали привычными, а дорогие серверы с несколькими процессорами, обеспечивающие истинный параллелизм, появились еще раньше. Новым же является широкое распространение компьютеров, которые не просто создают иллюзию одновременного выполнения задач, а действительно исполняют их параллельно.
Исторически компьютеры, как правило, оснащались одним процессором с одним блоком обработки, или ядром, и это остается справедливым для многих настольных машин и по сей день. Такая машина в действительности способна исполнять только одну задачу в каждый момент времени, по может переключаться между задачами много раз в секунду. Таким образом, сначала одна задача немножко поработает, потом другая, а в итоге складывается впечатление, будто все происходит одновременно. Это называется переключением задач. Тем не менее, и для таких систем мы можем говорить о параллелизме: задачи сменяются очень часто и заранее нельзя сказать, в какой момент процессор приостановит одну и переключится на другую. Переключение задач создает иллюзию параллелизма не только у пользователя, но и у самого приложения. Но так как это всего лишь иллюзия, то между поведением приложения в однопроцессорной и истинно параллельной среде могут существовать топкие различия. В частности, неверные допущения о модели памяти (см. главу 5) в однопроцессорной среде могут не проявляться. Подробнее эта тема рассматривается в главе 10.