Параллельное и распределенное программирование на С++ ↓

Оглавление

• Введение
•   Этапы большого пути
•   Подход
•   Почему именно С++
•   Библиотеки для параллельного и распределенного программирования
•   Новый единый стандарт спецификаций UNIX
•   Для кого написана эта книга
•   Среды разработки
•   Дополнительный материал
•     Диаграммы UML
•     Профили программы
•     Параграфы
•     Тестирование кода и его надежность
•     Ждем ваших отзывов!
•   Благодарности
• Преимущества параллельного программирования
•   Что такое параллелизм
•     Два основных подхода к достижению параллельности
•   Преимущества параллельного программирования
•     Простейшая модель параллельного программирования (PRAM)
•     Простейшая классификация схем параллелизма
•   Преимущества распределенного программирования
•     Простейшие модели распределенного программирования
•     Мультиагентные распределенные системы
•   Минимальные требования
•     Декомпозиция
•     Связь
•     Синхронизация
•   Базовые уровни программного параллелизма
•     Параллелизм на уровне инструкций
•     Параллелизм на уровне подпрограмм
•     Параллелизм на уровне объектов
•     Параллелизм на уровне приложений
•   Отсутствие языковой поддержки параллелизма в С++
•     Варианты реализации параллелизма с помощью С++
•     Стандарт MPI
•     PVM: стандарт для кластерного программирования
•     Стандарт CORBA
•     Реализации библиотек на основе стандартов
•   Среды для параллельного и распределенного программирования
•   Резюме
• Проблемы параллельного и распределенного программирования
•   Кардинальное изменение парадигмы
•   Проблемы координации
•     Проблема № 1 : «гонка» данных
•     Проблема № 2: бесконечная отсрочка
•     Проблема №3: взаимоблокировка
•     Проблема №4: трудности организации связи
•   Отказы оборудования и поведение ПО
•   Негативные последствия излишнего параллелизма и распределения
•   Выбор архитектуры
•   Различные методы тестирования и отладки
•   Связь между параллельным и распределенным проектами
•   Резюме
• Разбиение С++ программ на множество задач
•   Определение процесса
•     Два вида процессов
•     Блок управления процессами
•   Анатомия процесса
•   Состояния процессов
•   Планирование процессов
•     Стратегия планирования
•     Использование утилиты ps
•     Установка и получение приоритета процесса
•   Переключение контекста
•   Создание процесса
•     Отношения между родительскими и сыновними процессами
•       Утилита pstree
•     Использование системной функции fork()
•     Использование семейства системных функций exec
•       Функции execl ()
•       Функции execv ()
•       Определение ограничений для функций exec ()
•       Чтение и установка переменных среды
•     Использование POSIX-функций для порождения процессов
•     Идентификация родительских и сыновних процессов с помощью функций управления процессами
•   Завершение процесса
•     Функции exit (), kill () и abort ()
•   Ресурсы процессов
•     Типы ресурсов
•     POSIX-функции для установки ограничений доступа к ресурсам
•   Асинхронные и синхронные процессы
•     Создание синхронных и асинхронных процессов с помощью функций fork (), exec (), system () и posix_spawn()
•     Функция wait ()
•   Разбиение программы на задачи
•     Линии видимого контура
•   Резюме
• Разбиение C++ программ на множество потоков
•   Определение потока
•     Контекстные требования потока
•     Сравнение потоков и процессов
•       Различия между потоками и процессами
•       Потоки, управляющие другими потоками
•     Преимущества использования потоков
•       Переключение контекста при низкой (ограниченной) доступности процессора
•       Возможности повышения производительности приложения
•       Простая схема взаимодействия между параллельно выполняющимися потоками
•       Упрощение структуры программы
•     Недостатки использования потоков
•       Потоки могут легко разрушить адресное пространство процесса
•       Один поток может ликвидировать целую программу
•       Потоки не могут многократно использоваться другими программами
•   Анатомия потока
•     Атрибуты потока
•   Планирование потоков
•     Состояния потоков
•     Планирование потоков и область конкуренции
•     Стратегия планирования и приоритет
•       Изменение приоритета потоков
•   Ресурсы потоков
•   Модели создания и функционирования потоков
•     Модель делегирования
•     Модель с равноправными узлами
•     Модель конвейера
•     Модель «изготовитель-потребитель»
•     Модели SPMD и МРМD для потоков
•   Введение в библиотеку Pthread
•   Анатомия простой многопоточной программы
•     Компиляция и компоновка многопоточных программ
•   Создание потоков
•     Получение идентификатора потока
•     Присоединение потоков
•     Создание открепленных потоков
•     Использование объекта атрибутов
•       Создание открепленных потоков с помощью объекта атрибутов
•   Управление потоками
•     Завершение потоков
•       Точки аннулирования потоков
•       Очистка перед завершением
•     Управление стеком потока
•     Установка атрибутов планирования и свойств потоков
•       Установка области конкуренции потока
•     Использование функции sysconf ()
•     Управление критическими разделами
•   Безопасность использования потоков и библиотек
•   Разбиение программы на несколько потоков
•     Использование модели делегирования
•     Использование модели сети с равноправными узлами
•     Использование модели конвейера
•     Использование модели «изготовитель-потребитель»
•     Создание многопоточных объектов
•   Резюме
• Синхронизация параллельно выполняемых задач
•   Координация порядка выполнения потоков
•     Взаимоотношения между синхронизируемыми задачами
•     Отношения типа старт-старт (CC)
•     Отношения типа финиш-старт (ФС)
•     Отношения типа старт-финиш (СФ)
•     Отношения типа финиш-финиш (ФФ)
•   Синхронизация доступа к данным
•     Модель РРАМ
•       Параллельный и исключающий доступ к памяти
•   Что такое семафоры
•     Операции по управлению семафором
•     Мьютексные семафоры
•       Использование мьютексного атрибутного объекта
•       Использование мьютексных семафоров для управления критическими разделами
•     Блокировки для чтения и записи
•       Использование блокировок чтения-записи для реализации стратегии доступа
•     Условные переменные
•       Использование условных переменных для управления отношениями синхронизации
•   Объектно-ориентированный подход к синхронизации
•   Резюме
• Объединение возможностей параллельного программирования и C++ средств на основе PVM
•   Классические модели параллелизма, поддерживаемые системой PVM
•   Библиотека PVM для языка С++
•     Компиляция и компоновка C++/PVM-npoгpaмм
•     Выполнение PVM-программы в виде двоичного файла
•       Запуск PVM-программ c помощью PVM-консоли
•       Запуск PVM-программ c помощью XPVM
•     Требования к PVM-программам
•     Объединение динамической С++-библиотеки c библиотекой PVM
•     Методы использования PVM-задач
•       Реализация модели SPMD (SIMD) c помощью PVM-и С++-средств
•       Реализация модели MPMD (MIMD) с помощью PVM-и С++-средств
•   Базовые механизмы PVM
•     Функции управления процессами
•     Упаковка и отправка сообщений
•   Доступ к стандартному входному потоку (stdin) и стандартному выходному потоку (stdout) со стороны PVM-задач
•     Получение доступа к стандартному выходному потоку (cout) из сыновней задачи
•   Резюме
• Обработка ошибок, исключительных ситуаций и надежность программного обеспечения
•   Надежность программного обеспечения
•   Отказы в программных и аппаратных компонентах
•   Определение дефектов в зависимости от спецификаций ПО
•   Обработка ошибок или обработка исключительных ситуаций?
•   Надежность ПО: простой план
•     План А: модель возобновления, план Б: модель завершения
•   Использование объектов отображения для обработки ошибок
•   Механизмы обработки исключительных ситуаций в С++
•     Классы исключений
•       Классы runtime__error
•       Классы logic_error
•       Выведение новых классов исключений
•       Защита классов исключений от исключительныхситуаций
•   Диаграммы событий, логические выражения и логические схемы
•   Резюме
• Распределенное объектно-ориентированное программирование
•   Декомпозиция задачи и инкапсуляция ее решения
•     Взаимодействие между распределенными объектами
•     Синхронизация взаимодействия локальных и удаленных объектов
•     Обработка ошибок и исключений в распределенной среде
•   Доступ к объектам из других адресных пространств
•     . IOR-доступ к удаленным объектам
•     Брокеры объектных запросов (ORB)
•     Язык описания интерфейсов (IDL):более «пристальный» взгляд на CORBA-объекты
•   Анатомия базовой CORBA-программы потребителя
•   Анатомия базовой CORBA-программы изготовителя
•   Базовый npoeкт CORBA-приложения
•     IDL-компилятор
•     Получение IOR-ссылки для удаленных объектов
•   Служба имен
•     Использование службы имен и создание именных контекстов
•     Служба имен «потребитель-клиент»
•   Подробнее об объектных адаптерах
•   Хранилища реализаций и интерфейсов
•   Простые pacnpeделенные Web-службы, использующие CORBA-спецификацию
•   Маклерская служба
•   Парадигма «клиент-сервер»
•   Резюме
• Реализация моделей SPMD и MPMD с помощью шаблонов и MPI-программирования
•   Декомпозиция работ для MPI-интерфейса
•     Дифференциация задач по рангу
•     Группирование задач по коммуникаторам
•     Анатомия MPI-задачи
•   Использование шаблонных функций для представления MPI-задач
•     Реализация шаблонов и модельБРМО (типы данных)
•     Использование полиморфизмадля реализации MPMD-модели
•     Введение MPMD-модели c помощью функций -объектов
•   Как упростить взаимодействие между MPI-задачами
•     Перегрузка операторов «<<» и «>>» для организации взаимодействия между MPI-задачами
•   Резюме
• Визуализация проектов параллельных и распределенных систем
•   Визуализация структур
•     Классы и объекты
•       Отображение информации об атрибутах и операциях класса
•       Организация атрибутов и операций
•       Шаблонные классы
•     Отношения между классами и объектами
•       Интерфейсные классы
•     Организация интерактивных объектов
•   Отображение параллельного поведения
•     Сотрудничество объектов
•       Процессы и потоки
•       Отображение нескольких потоков выполнения и взаимодействия между ними
•     Последовательность передачи сообщений между объектами
•     Деятельность объектов
•     Конечные автоматы
•       Параллельные подсостояния
•     Распределенные объекты
•   Визуализация всей системы
•     Визуализация развертывания систем
•     Архитектура системы
•   Резюме
• Проектирование компонентов для поддержки параллелизма
•   Как воспользоваться преимуществами интерфейсных классов
•   Подробнее об объектно-ориентированном взаимном исключении и интерфейсных классах
•     «Полуширокие» интерфейсы
•   Поддержка потокового представления
•     Перегрузка операторов "«" и "»" для PVM-потоков данных
•   Пользовательские классы, создаваемые для обработки PVM-потоков данных
•   Объектно-ориентированные каналы и FIFO-очереди как базовые элементы низкого уровня
•     Связь каналов c iostream-объектами с помощью дескрипторов файлов
•     Доступ к анонимным каналам c использованием итератора ostream_iterator
•     FIFO-очереди (именованные каналы),
•       Интерфейсные FIFO-классы
•   Каркасные классы
•   Резюме
• Реализация агентно-ориентированных архитектур
•   Что такое агенты
•     Агенты: исходное определение
•     Типы агентов
•     В чем состоит разница между объектами и агентами
•   Понятие об агентно-ориентированном программировании
•     Роль агентов в распределенном программировании
•     Агенты и параллельное программирование
•   Базовые компоненты агентов
•     Когнитивные структуры данных
•       Методы рассуждений
•   Реализация агентов в С++
•     Типы данных предположений и структуры убеждений
•     Класс агента
•       Цикл активизации агента
•     Простая автономность
•   12.6. Резюме
• Реализация технологии «классной доски» с использованием PVM-средств, потоков и компонентов
•   Модель «классной доски»
•   Методы структурирования «классной доски»
•   Анатомия источника знаний
•   Стратегии управления для «классной доски»
•   Реализация модели «классной доски» с помощью CORBA-объектов
•     Пример использования CORBA-объекта «классной доски»
•     Реализация интерфейсного класса black_board
•     Порождение источников знаний в конструкторе «классной доски»
•       Порождение источников знаний с помощью PVM-задач
•       Связь «классной доски» и источников знаний
•       Активизация источников знаний с помощью POSIX-функции spawn()
•   Реализация модели «классной доски» с помощью глобальных объектов
•   Активизация источников знаний с помощью потоков
•   Резюме
• Приложение A
•   Диаграммы классов и объектов
•   Диаграммы взаимодейс т вия
•     Диаграммы сотрудничества
•     Диаграммы последовательностей
•     A.2.3. Диаграммы видов деятельности
•   A.3. Диаграммы состояний
•   A.4. Диаграммы пакетов
• Приложение Б [26]
•   posix_spawn, posix_spawnp
•   posix_spawn_file_actions_addclose, posix_spawn_file_actions_addopen
•   posix_spawn_file_actions_adddup2
•   posix_spawn_file_actions_destroy, posix_spawn_file_actions_init
•   posix_spawnattr_destroy, posix_spawnattr_init
•   posix_spawnattr_getflags, posix_spawnattr_setflags
•   posix_spawnattr_getpgroup, posix_spawnattr_setpgroup
•   posix_spawnattr_getschedparam, posix_spawnattr_setschedparam
•   posix_spawnattr_getschedpolicy, posix_spawnattr_setschedpolicy
•   posix_spawnattr_getsigdefault, posix_spawnattr_setsigdefault
•   posix_spawnattr_getsigmask, posix_spawnattr_setsigmask
•   pthread_attr_destroy, pthread_attr_init
•   pthread_attr_getdetachstate, pthread_attr__setdetachstate
•   pthread_attr_getguardsize, pthread_attr_setguardsize
•   pthread_attr_getinheritsched, pthread_attr_setinheritsched
•   pthread_attr_getschedparam, pthread_attr_setschedparam
•   pthread_attr_getschedpolicy, pthread_attr_setschedpolicy
•   pthread_cancel
•   pthread_cleanup_pop, pthread_cleanup_push
•   pthread_cond_broadcast(),pthread_cond_signal()
•   pthread_cond_destroy, pthread_cond_init
•   pthread_cond_timedwait, pthread_cond_wait
•   pthread_condattr_destroy, pthread_condattr_init
•   pthread_condattr_getpshared, pthread_condattr_setpshared
•   pthread_create
•   pthread_detach
•   pthread_exit
•   pthread_getconcurrency, pthread_setconcurrency
•   pthread_getschedparam, pthread_setschedparam
•   pthread_join
•   pthread_mutex_destroy, pthread_mutex_init
•   pthread_mutex_getprioceiling, pthread_mutex_setprioceiling
•   pthread_mutex_lock, pthread_mutex_trylock, pthread_mutex_unlock
•   pthread_mutex_timedlock
•   pthread_mutexattr_destroy
•   pthread_mutexattr_getprioceiling, pthread_mutexattr_setprioceiling
•   pthread_mutexattr_setprotocol, pthread_mutexattr_getprotocol
•   pthread_mutexattr_getpshared, pthread_mutexattr_setpshared
•   pthread_mutexattr_gettype, pthread_mutexattr_settype
•   pthread_once
•   pthread_rwlock_destroy, pthread_rwlock_init
•   pthread_rwlock_rdlock, pthread_rwlock_tryrdlock
•   pthread_rwlock_timedrdlock
•   pthread_rwlock_timedwrlock
•   pthread_rwlock_trywrlock, pthread_rwlock_wrlock
•   pthread_rwlock_unlock
•   pthread_rwlockattr_destroy, pthread_rwlockattr_init
•   pthread_rwlockattr_getpshared, pthread_rwlockattr_setpshared
•   pthread_self
•   pthread_setcancelstate, pthread_setcanceltype, pthread_testcancel
•   pthread_setschedprio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .