Для описания методов проектирования многопоточных программ используются такие термины, как пул потоков (thread pool), симметричные потоки (symmetric threads) и асимметричная потоковая организация программ (asymmetric threading), а мы при создании примеров использовали модель хозяин/рабочий, именованные каналы и другие классические модели организации многопоточного выполнения программ.
В этом разделе дано краткое объяснение некоторых полезных описательных терминов, которые являются неотъемлемой частью объектно-ориентированной технологии, основанной на разработанной компанией Microsoft модели компонентных объектов (Component Object Model, СОМ; см. [3]): однопоточная модель (single threading), модель апартаментных потоков (apartment model) и модель свободных потоков (free threading). В СОМ эти модели реализуются за счет использования функций Windows, предназначенных для управления потоками и синхронизации их выполнения. Каждая из перечисленных моделей обладает отличными от других характеристиками производительности и предъявляет свои требования к синхронизации.
• Пул потоков — это совокупность потоков, доступных для использования по мере необходимости. С помощью рис. 7.1 и программы 11.3 иллюстрируется пул потоков, которые могут назначаться новым клиентам, подключающимся к соответствующему именованному каналу. При отсоединении клиента поток возвращается в пул.
• Потоковая модель является симметричной, если группа потоков выполняют одну и ту же задачу с использованием одной и той же функции потока. Симметричные потоки используются в программе grepMT (программа 7.1): все потоки выполняют один и тот же код поиска шаблона. Обратите внимание, что эти потоки не образуют пула; каждый из них создается для выполнения определенной задачи и завершается сразу же после того, как задача выполнена. Пул симметричных потоков создается в программе 11.3.
• Потоковая модель является асимметричной, если различные потоки выполняют различные задачи с использованием различных функций потока. Так, функция потока широковещательной рассылки сообщений, представленная на рис. 7.1 и реализованная в программе 11.4, и функция сервера соответствуют модели асимметричных потоков.
• В соответствии с терминологией СОМ объект является однопоточным, если доступ к нему может получать только один поток. Это означает, что доступ к такому объекту сериализуется. В случае сервера базы данных таким объектом будет сама база данных. В примерах, приведенных в настоящей главе, многопоточная модель используется для организации доступа к объекту, в качестве которого могут рассматриваться программы и файлы, расположенные на компьютере сервера.
• В соответствии с терминологией СОМ об апартаментной модели следует говорить тогда, когда для каждого экземпляра объекта назначается отдельный поток. Так, отдельные потоки могут назначаться для осуществления доступа к разным базам данных или частям базы данных. Доступ к объекту сериализуется с помощью единственного потока.
• Объект, соответствующий модели свободных потоков, имеет поток, который обычно назначается ему из пула потоков по запросу. Обсуждавшийся в настоящей главе сервер можно считать сервером со свободными потоками, если соединение рассматривать как запрос. Аналогично, если сервер базы данных поддерживается потоками, то можно говорить о том, что база данных соответствует модели свободных потоков.
Некоторые программы, например sortMT (программа 7.2), в рамки ни одной из перечисленных моделей точно не укладываются. Вспомните также, что нами уже использовались и другие модели, а именно, модель хозяин/рабочий, именованные каналы и клиент-серверные модели, применение которых является общепринятым, однако не находит отражения в моделях Microsoft.
Применение указанных моделей многопоточного программирования оказывается уместным и в главе 12, в которой вводятся внутрипроцессные серверы, и компания Microsoft использует соответствующие термины в некоторой части своей документации. Не забывайте о том, что эти термины определены применительно к СОМ-объектам; предыдущее обсуждение показало, как использовать их в более широком контексте. СОМ — это слишком большой и сложный предмет, чтобы мы могли полностью описать его в данной книге. В списке литературы, приведены некоторые ссылки, которыми вы можете воспользоваться для получения более подробных сведений по этому вопросу.
Резюме
Каналы и почтовые ящики Windows, доступ к которым осуществляется с помощью операций файлового ввода/вывода, обеспечивают поточное межпроцессное и сетевое взаимодействие. В примерах продемонстрировано, как организовать передачу данных из одного процесса в другой при помощи каналов и как построить простую многопоточную клиент-серверную систему. Кроме того, каналы обеспечивают дополнительную возможность синхронизации потоков, поскольку считывающий поток блокируется до тех пор, пока другой поток не выполнит запись в канал.
В следующих главах
В главе 12 для осуществления межпроцессного и сетевого взаимодействия вместо оригинальных механизмов Windows привлечены стандартные механизмы. Прежний вариант клиент-серверной системы переработан с использованием стандартных методов и дополнительно усовершенствован за счет некоторого улучшения серверной части.
Упражнения
11.1. Проведите эксперименты с целью проверки справедливости приведенных ранее утверждений относительно повышения производительности, обеспечиваемого использованием функции TransactNamedPipe. Для этого вам придется внести в существующий код сервера некоторые изменения. Кроме того, сопоставьте полученные результаты с теми, к которым приводит текущая реализация.
11.2. Воспользуйтесь программой JobShell из главы 6 для запуска сервера и нескольких клиентов, причем каждый из клиентов должен создаваться в режиме отсоединения. Для завершения работы остановите сервер путем посылки управляющего сигнала консоли с помощью команды kill. Имеются ли у вас какие-либо соображения по поводу улучшения логики закрытия программы serverNP, чтобы подключенный серверный поток мог проверять флаг завершения работы, будучи блокированным в ожидании запроса клиента? Подсказка. Создайте считывающий поток, аналогичный потоку соединения.
11.3. Усовершенствуйте сервер таким образом, чтобы имя его канала задавалось в виде аргумента в командной строке. Организуйте несколько серверных процессов с различными именами каналов, используя программу управления заданиями из главы 6. Убедитесь в том, что одновременно несколько клиентов получают доступ к этой многопроцессной серверной системе.
11.4. Запустите клиент и сервер на различных системах, чтобы проверить их работу в условиях сети. Измените программу SrvrBcst (программа 11.4) таким образом, чтобы она включала имя компьютера сервера в имя канала. Кроме того, видоизмените имя почтового ящика, используемого в программе 11.4.
11.5. Модифицируйте сервер таким образом, чтобы можно было измерить степень его загрузки (иными словами, чтобы можно было определить, какая доля использованного времени приходится на сервер). Организуйте накопление данных, касающихся производительности, и передачу этой информации клиенту в ответ на его запрос. Для этой цели можно использовать поле Request.Command.
11.6. Усовершенствуйте программы, предназначенные для обнаружения сервера, таким образом, чтобы поиск сервера клиентом осуществлялся с наименьшей степенью загрузки.
11.7. Усовершенствуйте сервер таким образом, чтобы запрос включал в себя рабочий каталог. Сервер должен устанавливать свой рабочий каталог, выполнять команду, а затем восстанавливать рабочий каталог до прежнего значения. Предостережение. Серверный поток не должен устанавливать рабочий каталог процесса; вместо этого каждый поток должен поддерживать строку, представляющую его рабочий каталог, и присоединять эту строку в начало соответствующих путей доступа.
11.8. Программа serverNP спроектирована таким образом, что она выполняется как сервер в течение неопределенного времени, давая клиентам возможность подключаться, получать услуги и разрывать соединение. Очень важно, чтобы при отключении клиента сервер освобождал все соответствующие ресурсы, например, память, дескрипторы файлов или потоков. Если это не делается, то в результате утечки ресурсов системные ресурсы, в конце концов, исчерпаются, что приведет аварийному завершению работы сервера с возможным предшествующим ухудшением показателей производительности. Тщательно проверьте код программы serverNP, чтобы убедиться в отсутствии утечки ресурсов, и в случае необходимости внесите необходимые исправления. (Просьба информировать автора обо всех обнаруженных ошибках, используя указанный в предисловии адрес электронной почты.) Примечание. Утечка ресурсов является весьма распространенным серьезным дефектом многих промышленных систем. Никакие попытки вывода изделия на уровень промышленных стандартов нельзя считать успешными, если указанной проблеме не было уделено должного внимания.
11.9. Расширенное упражнение. Объекты синхронизации могут использоваться для синхронизации потоков, выполняющихся в различных процессах на одной и той же машине, но с их помощью нельзя синхронизировать потоки процессов, которые выполняются на разных машинах. Используя именованные каналы и почтовые ящики, создайте эмулированные мьютексы, события и семафоры, чтобы преодолеть это ограничение.
ГЛАВА 12
