14.2.7. Паралелізм

Що таке паралелізм? Є задачі, в яких автоматичні системи повинні опрацьовувати багато подій одночасно. В інших випадках потреба в обчислювальній потужності перевищує ресурси одного процесора. У кожній з таких ситуацій природно використовувати кілька комп'ютерів для розв’язування задачі або задіяти багатозадачність на багатопроцесорному комп'ютері. Процес (потік керування) - це фундаментальна одиниця дії в системі. Кожна програма має принаймні один потік керування, паралельна система має багато таких потоків: життя одних недовге, інші живуть весь сеанс роботи системи. Реальна паралельність досягається тільки на багатопроцесорних системах, а системи з одним процесором імітують паралельність за рахунок алгоритмів поділу часу.

Крім цієї "апаратної" відмінності, ми будемо відрізняти "важку" і "легку" паралельність залежно від потреб у ресурсах. "Важкі" процеси керуються операційною системою незалежно від інших, для них виділяється окремий захищений адресний простір. "Легкі" співіснують в одному адресному просторі. "Важкі" процеси спілкуються один з одним через операційну систему, що зазвичай відбувається повільно й складно. Зв'язок "легких" процесів здійснюється набагато простіше, часто вони використовують ті самі дані.

Багато сучасних операційних систем передбачають пряму підтримку паралелізму, і ця обставина сприятливо впливає на можливість забезпечення паралелізму в об’єктно-орієнтованих системах. Наприклад, системи UNIX передбачають системний виклик fork, що породжує новий процес. Системи Windows NT і OS/2 - багатопоточні; крім того вони забезпечують програмні інтерфейси для створення процесів і маніпулювання ними.

Можливість проектування паралельності в об’єктно-орієнтованих мовах не сильно відрізняються від будь-яких інших, - на нижніх рівнях абстракції паралелізм і OOП розвиваються зовсім незалежно. З OOП або без, всі традиційні проблеми паралельного програмування зберігаються. Дійсно, створювати більші програми й так непросто, а якщо вони ще й паралельні, то треба думати про можливий простій одного з потоків, неотримання даних, взаємне блокування й т.д.

Об'єктна модель найкраще підходить для розподілених систем, оскільки вона неявно розбиває програму на (1) розподілені одиниці й (2) обмінні суб'єкти.

У той час, як об’єктно-орієнтоване програмування базується на абстрагуванні, інкапсуляції й успадкуванні, паралелізм головну увагу приділяє абстрагуванню й синхронізації процесів. Об'єкт є поняттям, на якому ці дві точки зору сходяться: кожний об'єкт (отриманий з абстракції реального світу) може являти собою окремий потік керування (абстракцію процесу). Такий об'єкт називається активним. Для систем, побудованих на основі OOП, світ може бути поданий, як сукупність взаємодіючих об'єктів, частина з яких є активною й виступає в ролі незалежних обчислювальних центрів. Таким чином дамо таке означення паралелізму:

Паралелізм - це властивість, що відрізняє активні об'єкти від пасивних.

Приклади паралелізму. Раніше ми визначили клас ActiveTemperatureSensor, суть поведінки якого полягає в періодичному вимірюванні температури й зверненні до відомої йому функції виклику, коли температура відхиляється на деяку величину від встановленого значення. Як він буде це робити, ми тоді не пояснили. Зрозуміло, що це - активний об'єкт і, отже, без паралелізму тут не обійтися. В об’єктно-орієнтованому проектуванні є три підходи до паралелізму.

По-перше, паралелізм - це внутрішня властивість деяких мов програмування. Так, для мови Ada механізм паралельних процесів реалізується як задача. В Smalltalk є клас process, від якого успадковуються всі активні об'єкти. Є багато інших мов з вбудованими механізмами для паралельного виконання й синхронізації процесів, які передбачають подібні механізми паралелізму й синхронізації. У всіх цих мовах можна створювати активні об'єкти, код яких постійно виконується паралельно з іншими активними об'єктами.

По-друге, можна використовувати бібліотеку класів, що реалізують який-небудь різновид "легкого" паралелізму. Наприклад, бібліотека AT&T для C++ містить класи Shed, Timer, Task і т.д. Її реалізація, природно, залежить від платформи, хоча інтерфейс досить легко переноситься. При цьому підході механізми паралельного виконання не вбудовуються в мову (і, виходить, не впливають на системи без паралельності), але в той же час практично сприймаються як вбудовані.

Нарешті, по-третє, можна створити ілюзію багатозадачності за допомогою переривань. Для цього треба дещо знати про апаратуру. Наприклад, у нашій реалізації класу ActiveTemperatureSensor ми могли б мати апаратний таймер, що періодично перериває програму, після чого всі датчики вимірювали б температуру й зверталися б, якщо потрібно, до своїх функцій виклику.

Як тільки в систему введений паралелізм, відразу виникає питання про те, як синхронізувати відношення активних об'єктів один з одним, а також з іншими об'єктами, що діють послідовно. Наприклад, якщо два об'єкти посилають повідомлення третьому, повинен бути якийсь механізм, який гарантує, що об'єкт, на який спрямована дія, не зруйнується при одночасній спробі двох активних об'єктів змінити його стан. У цьому питанні об'єднюються абстракція, інкапсуляція й паралелізм. У паралельних системах недостатньо визначити поведінку об'єкта, треба ще вжити заходів, що гарантують, що він не буде поділений на частини декількома незалежними процесами.