28__Динамические, последовательные и параллельные структуры программ;

Последовательная структура программ

Видимо, речь идет о простой однозадачной системе типа Доса, когда выполняется только один процесс и ни о какой многозадачности речи нет.

Параллельная структура программ

Компьютеры с несколькими центральными процессорами (ЦП) могут выполнять несколько программ или компонентов одной программы параллельно. Вычисление, таким образом, может завершиться за меньшее время счета (количество часов), чем на компьютере с одним ЦП, с учетом затрат дополнительного времени ЦП на синхронизацию и связь. Несколько программ могут также совместно использовать компьютер с одним ЦП, так быстро переключая ЦП с одной программы на другую, что возникает впечатление, будто они выполняются одновременно. Несмотря на то, что переключение ЦП не реализует настоящую параллельность, удобно разрабатывать программное обеспечение для этих систем так, как если бы выполнение программ действительно происходило параллельно. Параллелизм — это термин, используемый для обозначения одновременного выполнения нескольких программ без уточнения, является вычисление параллельным на самом деле или только таким кажется.

Прямой параллелизм знаком большинству программистов в следующих формах:

Мультипрограммные (multi-programming) операционные системы дают возможность одновременно использовать компьютер нескольким пользователям. Системы разделения времени, реализованные на обычных больших машинах и миникомпьютерах, в течение многих лет были единственным способом сделать доступными вычислительные средства для таких больших коллективов, как университеты.

Многозадачные (multi-tasking) операционные системы дают возможность одновременно выполнять несколько компонентов одной программы (или программ одного пользователя). С появлением персональных компьютеров мультипрограммные компьютеры стали менее распространенными, но даже одному человеку часто необходим многозадачный режим для одновременного выполнения разных задач, как, например, фоновая печать при диалоговом режиме работы с документом.

Встроенные системы (embedded systems) на заводах, транспортных системах и в медицинской аппаратуре управляют наборами датчиков и приводов в «реальном масштабе времени». Для этих систем характерно требование, чтобы они выполняли относительно небольшие по объему вычисления через очень короткие промежутки времени: каждый датчик должен быть считан и проинтерпретирован, затем программа должна выбрать соответствующее действие, и, наконец, данные в определенном формате должны быть переданы к приводам. Для реализации встроенных систем используются многозадачные операционные системы, позволяющие координировать десятки обособленных вычислений.

Проектирование и программирование параллельных систем являются чрезвычайно сложным делом. Параллельная программа (concurent program) состоит из одного или нескольких программных компонентов (процессов), которые могут выполняться параллельно. Параллельные программы сталкиваются с двумя проблемами:

1.Синхронизация. Даже если процессы выполняются одновременно, иногда один процесс должен будет синхронизировать свое выполнение с другими процессами. Наиболее важная форма синхронизации — взаимное исключение: два процесса не должны обращаться к одному и тому же ресурсу (такому, как диск или общая таблица) одновременно.

2.Взаимодействие. Процессы не являются полностью независимыми; они должны обмениваться данными. Например, в программе управления полетом процесс, считывающий показания датчика высоты, должен передать результат процессу, который делает расчеты для автопилота.

Самая простая модель параллельного программирования — это модель с общей памятью (рис.5). Два или несколько процессов могут обращаться к одной и той же области памяти, хотя они также могут иметь свою собственную частную, или приватную, (private) память.

Р ис.5. Модель с общей памятью

Важно понять, что это может произойти даже на компьютере, который реализует многозадачный режим путем использования единственного ЦП. Когда ЦП переключается с одного процесса на другой, регистры, которые используются заблокированным процессом, сохраняются, а затем восстанавливаются, когда этот процесс продолжается.

В теории параллелизма выполнение параллельной программы определяется как любое чередование атомарных команд задач. Атомарная команда — это всего лишь команда, которую нельзя выполнить «частично» или прервать, чтобы продолжить выполнение другой задачи. В модели параллелизма с общей памятью команды загрузки и сохранения являются атомарными.

Если говорить о чередующихся вычислениях, то языки и системы, которые поддерживают параллелизм, различаются уровнем определенных в них атомарных команд. Реализация команды должна гарантировать, что она выполняется атомарно. В случае команд загрузки и сохранения это обеспечивается аппаратным интерфейсом памяти. Атомарность команд высокого уровня реализуется с помощью базисной системы поддержки времени выполнения и поддерживается специальными командами ЦП.

Истинно параллельные структуры могут быть реализованы только в многопроцессорных системах.