Поддержка потокового представления

Помимо использования интерфейсных классов для упрощения программирования и создания новых «широких» интерфейсов библиотек средств параллелизма и передачи сообщений, имеет смысл также расширить существующие интерфейсы. Например, объектно-ориентированное представление потоков данных можно расширить за счет использования каналов, FIFO-очередей и таких библиотек передачи сообщений, как PVM и MPI. Эти компоненты используются ради достижения межпроцессного взаимодействия (Inter-Process Communication — IPC), межпотокового взаимодействия (Inter-Thread Communication — ITC), а в некоторых случалх и взаимодействия между объектами (Object-to-Object Communicaton — OTOC). Если взаимодействие имеет место между параллельно выполняемыми потоками или процессами, то канал связи может представлять собой критический раздел. Другими словами, если несколько процессов (потоков) попытаются одновременно обновить один и тот же канал, FIFO-очередь или буфер сообщений, непременно возникнет «гонка» данных. Если мы собираемся расширить объектно-ориентированный интерфейс потоков данных за счет включения компонентов из библиотеки PVM или MPI, нам нужно быть уверенными в том, что доступ к этим потокам данных будет безопасен с точки зрения параллелизма. Именно здесь могут пригодиться наши компоненты синхронизации, спроектированные в виде интерфейсных классов. Рассмотрим простой класс pvm_stream.

// Листинг 11.12. Объявление класса pvm_stream, который

// наследует класс mios

class pvm_stream: public mios{

protected:

int TaskId;

int MessageId;

mutex Mutex;

//...

public:

void taskId(int Tid);

void messageId(int Mid);

pvm_stream(int Coding=PvmDataDefault);

void reset(int Coding = PvmDataDefault);

pvm_stream & operator< < (string & Data);

pvm_stream & operator> > (string & Data);

pvm_stream & operator> > (int & Data);

pvm_stream & operator< < (int & Data);

//...

};

Этот класс обработки потоков данных предназначен для инкапсуляции состояния активного буфера в PVM-задаче. Операторы вставки " < < " и извлечения " > > " можно использовать для отправки и приема сообщений между PVM-процессами. Здесь мы рассмотрим использование этих операторов только для обработки строк и значений типа int. Интерфейс этого класса далек от совершенства. Поскольку этот класс предназначен для обработки данных любого типа, мы должны расширить определения операторов " < < " и " > > ". А так как мы планируем использовать класс pvm_stream в многопоточной программе, мы должны быть уверены в том, что объект класса pvm_stream безопасен для потоков. Поэтому мы включаем в качестве члена нашего класса pvm_stream класс mutex. Поскольку сообщение может быть направлено для конкретной PVM-задачи, класс pvm_stream инкапсулирует для нее активный буфер. Наша цель — использовать классы ostream и istream в качестве «путеводителя» по функциям, которые должен иметь класс pvm_stream. Вспомним, что классы ostream и istream являются классами трансляции. Они переводят типы данных в обобщенные потоки байтов при выводе и обобщенные потоки байтов в конкретные типы данных при вводе. Используя классы istream и ostream, программисту не нужно погружаться в детали вставки в поток или выделения из потока данных того или иного типа. Мы хотим, чтобы и поведение класса pvm_stream было аналогичным. Библиотека PVM располагает различными функциями для каждого типа данных, которые необходимо упаковать в буфер отправки или распаковать из буфера приема. Например, функции pvm_pkdouble () pvm_pkint () pvm_pkfloat() используются для упаковки double-, int- и float-значений соответственно. Аналогичные функции существуют и для других типов данных, определенных в С++. Мы бы хотели поддерживать наше потоковое представление, т.е. чтобы ввод и вывод данных можно было представить как обобщенный поток байтов, который перемещается в программу или из нее. Следовательно, мы должны определить операторы вставки (< <) и извлечения (> >) для каждого типа данных, который мы собираемся использовать при обмене сообщениями между PVM-задачами. Мы также моделируем состояние потока данных в соответствии с классами istream и ostream, которые содержат компонент ios, предназначенный для хранения состояния этого потока. Поток данных может находиться в состоянии ошибки либо в одном из различных состояний, которые выражаются восьмеричным, десятичным или шестнадцатеричным числом. Поток также может пребывать в нормальном, заблокированном или состоянии конца файла. Класс pvm_stream должен не только содержать компонент, который поддерживает состояние потока данных, но и методы, которые устанавливают заданное или исходное состояние PVM-задачи, а также считывают его. Наш класс pvm_stream для этих целей содержит компонент mios. Этот компонент поддерживает состояние потока данных и активного буфера отправки и приема информации. На рис. 11.4 представлены две диаграммы классов: одна отображает отношения между основными классами библиотеки iostream, а вторая — отношения между классом pvm_stream и ero компонентами.

Обратите внимание на то, что классы istream и ostream наследуют класс ios. Класс ios поддерживает состояние потока данных и состояние буфера, используемого классами istream и ostream. Наш класс mios исполняет ту же роль в отношении класса pvm_stream. Классы istream и ostream содержат определения операторов " < < " и " > > ". Эти же операторы определены и в нашем классе pvm_stream. Поэтому, хотя наш класс pvm_stream не связан с iostream-классами наследованием, между ними существует интерфейсная связь. Мы используем интерфейс iostream-классов в качестве «полуширокого» интерфейса для классов pvm_stream и mios. Обратите внимание на то, что класс mios (см. рис. 11.4) наслелуется классом pvm_stream. Если мы хотим поддерживать потоковое представление с помощью класса pvm_stream, то для этого как раз подходит понятие интерфейсного класса.

Перегрузка операторов " «" и "»" для PVM-потоков данных

Итак, рассмотрим определение операторов " «" и " > > " для класса pvm__stream. Оператор вставки (< <) используется для заключения в оболочку функций pvm_send () и pvm_pk. Вот как выглядит определение этого операторного метода.

// Листинг 11.13. Определение оператора " < < " для класса

// pvm_stream class

pvm_stream & pvm_stream:: operator< < (int Data) {

//...

reset();

pvm_pkint(& Data, 1, 1); pvm_send(TaskId, MessageId); //...

return(*this);

}

Подобное определение существует для каждого типа данных, которые будут обрабатываться с использованием класса pvm_stream. Метод reset () унаследован от класса mios. Этот метод используется для инициализации буфера отправки д анных. TaskId и MessageId — это члены данных класса pvm_stream, которые устанавливаются с помо щ ью мето д ов taskId() и messageId(). Определяемый здесь оператор вставки позволяет отправлять данные PVM-задаче с помощью стандартной записи операции вывода в поток.

int Value = 2004;

pvm_stream MyStream;

//...

MyStream < < Value;

//...

Оператор извлечения данных (> >) используется подобным образом, но для получения сообщений от PVM-задач. В действительности оператор " > > " заключает в оболочку функции pvm_recv () и pvmupk (). Определение этого операторного м етода выглядит так.

// Листинг 11.14. Определение оператора для класса

// pvm_stream

pvm_stream & pvm_stream:: operator> > (int & Data) {

int BufId;

//...

BufId = pvm_recv(TaskId, MessageId);

StreamState = pvm_upkint(& Data, l, l); //...

return(*this);

}

Этот тип определения позволяет получать сообщения от PVM-задач с помощью оператора извлечения данных.

int Value;

pvm_stream MyStream;

MyStream > > Value;

Поскольку каждый из рассмотренных операторных методов возвращает ссылку на тип pvm_stream, операторы вставки и извлечения можно соединить в цепочку.

Mystream < < Valuel < < Value2;

Mystream > > Value3 > > Value4;

Используя этот простой синтаксис, программист изолирован от более громоздкого синтаксиса функций pvm_send, pvm_pk, pvm_upk и pvm_recv. При этом он работает с более знакомыми для него объектно-ориентированными потоками данных. В данном случае поток данных представляет буфер сообщений, а элементы, которые помещаются в него или извлекаются оттуда, представляют сообщения, которыми обмениваются между собой PVM-процессы. Вспомните, что каждый PVM-процесс имеет отдельное адресное пространство. Поэтому операторы " < < " и " > > " не только маскируют вызовы функций pvm_send и pvm_recv, они также маскируют заложенную в них организацию связи. Поскольку класс pvm_stream можно использовать в много-поточной среде, операторы вставки и извлечения данных должны обеспечивать безопасность потоков выполнения.

Класс pvm_stream (см. рис. 11.4) содержит класс mutex. Класс mutex можно использовать для защиты критических разделов, которые имеются в классе pvm_stream. Класс pvm_stream инкапсулирует доступ к буферу отправки и буферу приема данных. Взаимодействие потоков выполнения и класса pvm_stream с буферами pvm_send и pvm_receive показано на рис. 11.5.

Критическими разделами являются не только буферы отправки и приема данных. Класс mios, используемый для хранения состояния класса pvm_stream, также является критическим разделом. Для защиты этого компонента можно использовать класс mutex.

При обращении к операторам вставки и извлечения данных можно использовать объект Mutex.

// Листинг 11.15.

//Определение операторов «< <» и «> >» для класса pvm_stream

pvm_stream & pvm_stream:: operator< < (int Data) {

//...

Mutex.lock(); reset();

pvm_pkint(& Data, 1, 1); pvm_send(TaskId, MessageId); Mutex.unlock(); //...

return(*this);

}

pvm_stream & pvm_stream:: operator> > (int & Data) {

int BufId; //...

Mutex.lock();

BufId = pvm_recv(TaskId, MessageId);

StreamState = pvm_upkint(& Data, 1, 1);

Mutex.unlock();

//...

return(*this);

}

Этот вид защиты позволяет сделать класс pvm_stream безопасным. Здесь мы не представили код обработки исключений или другой код, который бы позволил предотвратить бесконечные отсрочки или взаимную блокировку. Основнал идея в данном случае — сделать акцент на компонентах и вариантах архитектуры, которые пригодны для поддержки параллелизма. Интерфейсный класс mutex и класс pvm_stream можно использовать многократно, и оба они поддерживают параллельное программирование. Предполагается, что объекты класса pvm_stream должны использоваться PVM-задачами при отправке и приеме сообщений. Но это не является жестким требованием. Для того чтобы пользователь мог применить концепцию класса pvm_stream к своим классам, для них необходимо определить операторы вставки (< <) и извлечения (> >).