Разбиение программы на задачи

Рассматривая разбиение программы на несколько задач, вы делаете первый шаг к внесению параллелизма в свою программу. В однопроцессорной среде параллелизм реализуется посредством многозадачности. Это достигается путем переключения процессов. Каждый процесс выполняется в течение некоторого короткого интервала времени, после чего процессор «передается» другому процессу. Это происходит настолько быстро, что создается иллюзия одновременного выполнения процессов. В многопроцессорной среде процессы, принадлежащие одной программе, могут быть назначены одному или различным процессорам. Процессы, назначенные различным процессорам, выполняются параллельно.

Различают два уровня параллельной обработки в приложении или системе: уровень процессов и уровень потоков. Параллельная обработка на уровне потоков носит название многопоточности (она рассматривается в следующей главе). Чтобы разумно разделить программу на параллельные задачи, необходимо определить, где «гнездится» параллелизм и где можно воспользоваться преимуществами от его реализации. Иногда в параллелизме нет насущной необходимости. Программа может интерпретироваться с учетом параллелизма, но и при последовательном выполнении действий она прекрасно работает. Безусловно, внесение параллелизма может повысить ее быстродействие и понизить уровень сложности. Одни программы обладают естественным параллелизмом, а другим больше подходит последовательное выполнение действий. Программы также могут иметь двойственную интерпретацию.

При декомпозиции программы на функции обычно используется нисходящий принцип, а при разделении на объекты — восходящий. При этом необходимо определить, какие функции или объекты лучше реализовать в виде отдельных программ или подпрограмм, а какие — в виде потоков. Подпрограммы должны выполняться операционной системой как процессы. Отдельные подпрограммы, или процессы, выполняют задачи, порученные проектировщиком ПО.

Задачи, на которые будет разделена программа, могут выполняться параллельно, причем здесь можно выделить следующие три способа реализации параллелизма.

1. Выделение в программе одной основной задачи, которая создает некоторое количество подзадач.

2. Разделение программы на множество отдельных выполняемых файлов.

3. Разделение программы на несколько задач разного типа, отвечающих за создание других подзадач только определенного типа.

Эти способы реализации параллелизма отображены на рис. 3.13.

Например, эти методы реализации параллелизма можно применить к программе визуализации. Под визуализацией будем понимать процесс перехода от представления трехмерного объекта в форме записей базы данных в двухмерную теневую графическую проекцию на поверхность отображения (экран дисплея). Изображение представляется в виде теневых многоугольников, повторяющих форму объекта. Этапы визуализации показаны на рис. 3.14. Визуализацию можно разбить на ряд отдельных задач.

1. Установить структуру данных для сеточных моделей многоугольников.

2. Применить линейные преобразования.

3. Отбраковать многоугольники, относящиеся к невидимой поверхности.

4. Выполнить растеризацию.

5. Применить алгоритм удаления скрытых поверхностей.

6. Затушевать отдельные пиксели.

Первая задача состоит в представлении объекта в виде массива многоугольников, в котором каждая вершина многоугольника описывается в трехмерной мировой системе координат. Вторая задача — применить линейные преобразования к сеточной модели многоугольников. Эти преобразования используются для позиционирования объектов на сцене и создания точки обзора или поверхности отображения (области, которая видима наблюдателю с его точки обзора). Третья задача — отбраковать невидимые поверхности объектов на сцене. Это означает удаление линий, принадлежащих тем частям объектов, которые невидимы с точки обзора. Четвертая задача — преобразовать модель вершин в набор координат пикселей. Пятая задача — удалить любые скрытые поверхности. Если сцена содержит взаимодействующие объекты, например, когда одни объекты заслоняют другие, то скрытые (передними объектами) поверхности должны быть удалены. Шестая задача - наложить на поверхности изображения тень.

Рис. 3.13. Способы разбиения программы на отдельные задачи

Рис. 3.14. Этапы визуализации

Решение каждой задачи представляется в виде отдельного выполняемого файла. Первые три задачи (Taskl, Task2 и Task3) выполняются последовательно, а остальные три (Task4, Task5 и Task6)— параллельно. Реализация первого способа создания программы визуализации приведена в листинге 3.5.

// Листинг 3.5. Использование способа 1 для создания процессов

#include < spawn.h>

#include < stdlib.h>

#include < stdio.h>

#include < sys/wait.h>

#include < errno.h>

#include < unistd.h>

int main(void) {

posix_spawnattr_t Attr;

posix_spawn_file_actions_t FileActions;

char *const argv4[] = {«Task4»,..., NULL};

char *const argv5[] = {«Task5'\..., NULL};

char *const argv6[] = {«Task6»,..., NULL};

pid_t Pid;

int stat;

// Выполняем первые три задачи синхронно,

system(«Taskl... ");

system(«Task2... ");

system(«Task3... ");

//иниииализируем структуры

posix_spawnattr_init(& Attr);

posix_spawn_file_actions_init(& FileActions);

// execute last 3 tasks asynchronously

posix_spawn(& Pid, «Task4», & FileActions, & Attr, argv4, NULL);

posix_spawn(& Pid, «Task5», & FileActions, & Attr, argv5, NULL);

posix_spawn(& Pid, «Task6», & FileActions, & Attr, argv6, NULL);

// like a good parent, wait for all your children

wait (& stat);

wait (& stat);

wait (& stat);

return(0);

}

В листинге 3.5 из функции main () с помощью функции system() вызываются на выполнение задачи Task1, Task2 и Task3. Каждая из них выполняется синхронно с родительским процессом. Задачи Task4, Task5 и Task6 выполняются асинхронно родительскому процессу благодаря использованию функций posix__spawn(). Многоточие (...) используется для обозначения файлов, требуемых задачам. Родительский процесс вызывает три функции wait (), и каждая из них ожидает завершения одной из задач (Task4, Task5 или Task6).

Используя второй способ, программу визуализации можно запустить из сценария командной оболочки. Преимущество этого сценария состоит в том, что он позволяет использовать все команды и операторы оболочки. В нашей программе визуализации для управления выполнением задач используются метасимволы & и & &.

Task1... & & Task2... & & Task3 Task4... & Task5... & Task6

Здесь благодаря использованию метасимвола & & задачи Task1, Task2 и Task3 выполняются последовательно при условии успешного выполнения предыдущей задачи. Задачи же Task4, Task5 и Task6 выполняются одновременно, поскольку использован метасимвол &. Приведем некоторые метасимволы, применяемые при разделении команд в средах UNIX/Linux, и способы выполнения этих команд.

& & Каждая следующая команда будет выполняться только в случае успешного выполнения предыдущей команды.

|| Каждая следующая команда будет выполняться только в случае неудачного выполнения предыдущей команды.

; Команды должны выполняться последовательно.

& Все команды должны выполняться одновременно.

При использовании третьего способа задачи делятся по категориям. При декомпозиции программы следует разобраться, можно ли в ней выделить различные категории задач. Например, одни задачи могут «отвечать» за интерфейс пользователя, т.е. его создание, ввод данных, вывод данных и пр. Другим задачам поручаются вычисления, управление данными и пр. Такой подход весьма полезен не только при проектировании программы, но и при ее реализации. В нашей программе визуализации мы можем разделить задачи по следующим категориям:

• задачи, которые выполняют линейные преобразованиях преобразования изображения на экране при изменении точки обзора; преобразования сцены;

• задачи, которые выполняют растеризацию: вычерчивание линий; заливка участков сплошного фона; растеризация многоугольников;

• задачи, которые выполняют удаление поверхностей: удаление скрытых поверхностей; удаление невидимых поверхностей;

• задачи, которые выполняют наложение теней: затенение отдельных пикселей; затенение изображения в целом.

Разбиение задач по категориям позволяет нашей программе приобрести более общий характер. Процессы при необходимости создают другие процессы, предназначенные для выполнения действий только определенной категории. Например, если нашей программе предстоит визуализировать лишь один объект, а не всю сцену, то нет никакой необходимости порождать процесс, который выполняет удаление скрытых поверхностей; вполне достаточно будет удаления невидимых поверхностей (одного объекта). Если объект не нужно затенять, то нет необходимости порождать задачу, выполняющую наложение тени; обязательным остается лишь линейное преобразование при решении задачи растеризации. Для запуска программы с использованием третьего способа можно использовать родительский процесс или сценарий оболочки. Родительский процесс может определить, какой нужен тип визуализации, и передать соответствующую информацию каждому из специализированных процессов, чтобы они «знали», какие процессы им следует порождать. Эта информация может быть также перенаправлена каждому из специализированных процессов из сценария оболочки. Реализация третьего способа представлена в листинге 3.6.

// Листинг 3.6. Использование третьего метода для

// создания процессов. Задачи запускаются из

// родительского процесса

#include < spawn.h>

#include < stdlib.h>

#include < stdio.h>

#include < sys/wait.h>

#include < errno.h>

#include < unistd.h>

int main(void) {

posix_spawnattr_t Attr;

posix_spawn_file_actions_t FileActions;

pid_t Pid;

int stat;

//•••

system(«Task1...»); // Выполняется безотносительно к типу используемой визуализации.

//определяем, какой нужен тип визуализации. Это можно

// сд елать, получив информацию от пользователя или

// выполнив специальный анализ.

// затем сообщаем о результате другим задачам с помощью

// аргументов.

char *const argv4[] = {«TaskType4»,..., NULL};

char *const argv5[] = {«TaskType5»,..., NULL};

char *const argv6[] = {«TaskType6»,..., NULL}

system(«TaskType2... ");

system(«TaskType3... ");

// Инициализируем структуры.

posix_spawnattr_init(& Attr);

posix_spawn_file_actions_init (& FileActions);

posix_spawn(& Pid, «TaskType4», & FileActions, & Attr, argv4, NULL);

posix_spawn(& Pid, «TaskType5», & FileActions, & Attr, argv5, NULL);

if(Y){

posix_spawn(& Pid, «TaskType6», & FileActions, & Attr, argv6, NULL);

}

// Подобно хорошему родителю, ожидаем возвращения // своих «детей».

wait(& stat);

wait(& stat);

wait(& stat);

return(0);

}

// Все TaskType-задачи должны быть аналогичными. //...

int main(int argc, char *argv[]){

int Rt; //...

if(argv[1] == X){

// Инициализируем структуры.

posix_spawn(& Pid, «TaskTypeX», & FileActions, & Attr,..., NULL);

else{

// Инициализируем структуры.

//.. •

posix_spawn(& Pid, «TaskTypeY», & FileActions, & Attr,..., NULL);

}

wait(& stat); exit(0);

}

В листинге 3.6 тип каждой задачи (а следовательно, и тип порождаемого процесса) определяется на основе информации, передаваемой от родительского процесса или сценария оболочки.