Параллельное программирование *

Ниже представлена не простая расшифровка доклада с семинара CLRium, а переработанная версия для книги .NET Platform Architecture. Той её части, что относится к потокам.

Потоки и планирование потоков

Что такое поток? Давайте дадим краткое определение. По своей сути поток это:

• Средство параллельного относительно других потоков исполнения кода;
• Имеющего общий доступ ко всем ресурсам процесса.

Очень часто часто слышишь такое мнение, что потоки в .NET — они какие-то абсолютно свои. И наши .NET потоки являются чем-то более облегчённым чем есть в Windows. Но на самом деле потоки в .NET являются самыми обычными потоками Windows (хоть Windows thread id и скрыто так, что сложно достать). И если Вас удивляет, почему я буду рассказывать не-.NET вещи в хабе .NET, скажу вам так: если нет понимания этого уровня, можно забыть о хорошем понимании того, как и почему именно так работает код. Почему мы должны ставить volatile, использовать Interlocked и SpinWait. Дальше обычного lock дело не уйдёт. И очень даже зря.

Давайте посмотрим из чего они состоят и как они рождаются. По сути поток — это средство эмуляции параллельного исполнения относительно других потоков. Почему эмуляция? Потому, что поток как бы странно и смело это ни звучало — это чисто программная вещь, которая идёт из операционной системы. А операционная система создаёт этот слой эмуляции для нас. Процессор при этом о потоках ничего не знает вообще.

Задача процессора — просто исполнять код. Поэтому с точки зрения процессора есть только один поток: последовательное исполнение команд. А задача операционной системы каким-либо образом менять поток т.о. чтобы эмулировать несколько потоков.

Прим. перев.: Содержимое этой статьи не совсем типично для нашего блога. Однако, как многим известно, etcd находится в самом сердце Kubernetes, из-за чего данное исследование, проведённое независимым консультантом в области надёжности, оказалось интересным и в среде инженеров, эксплуатирующих данную систему. Кроме того, оно интересно в разрезе того, как Open Source-проекты, уже зарекомендовавшие себя в production, совершенствуются даже на таком, весьма «низком», уровне.



Хранилище пар «ключ-значение» (KV) etcd представляет собой распределённую базу данных, основанную на алгоритме консенсуса Raft. В ходе анализа, проведенного в 2014 году, мы обнаружили, что etcd 0.4.1 по умолчанию была подвержена так называемым stale reads (операциям чтения, возвращающим старое, неактуальное значение из-за запаздывания синхронизации — прим. перев.). Мы решили вернуться к etcd (в этот раз — к версии 3.4.3), чтобы снова детально оценить ее потенциал в области надежности и безопасности.

1. Введение

Конкурентная борьба за умы, настроения и чаяния программистов является, как мне представляется, современным трендом развития программирования. Когда почти не предлагается ничего нового, хотя и под лозунгом борьбы за него. Распознать в толчее программных парадигм что-то новое, которое на поверку часто оказывается достаточно известным а, порой и просто устаревшим, весьма и весьма сложно. Все «замыливается» терминологическими изысками, многословным анализом и многострочными примерами на множестве языков программирования. При этом упорно обходятся просьбы открыть и/или рассмотреть подоплеку решения, суть нововведений, пресекаются в зародыше попытки выяснить насколько это нужно и что даст в итоге, что качественно отличает нововведение от уже известных подходов и средств программирования.

1. Введение. Конкурентный корутинизм

Предыдущие статьи на тему автоматного программирования были всего лишь «цветочками». «Ягодкой» автоматного программирования, т.е. ради чего нужно им заниматься, является модель параллельных вычислений на базе модели конечных автоматов. Итак, поехали…

Стандарт С++ включил в свой состав долгожданную поддержку многопоточности [1]. Но не будем ни восхищаться этим, ни критиковать сей факт, т.к. работа с потоками отягощена таким множеством условий, оговорок и особенностей, что без реальных примеров, выявляющих проблемы многопоточности, обсуждение многопоточного программирования будет не только поспешным, но и достаточно предвзятым. Поэтому далее в основном не о потоках, а об автоматах, имея в виду, конечно, и первые.

---

Преамбула

Применение интернета вещей в сельской местности гораздо шире, чем домашняя автоматизация, хотя это, конечно, вопрос терминологии – что под этим понимать. Тем не менее я задумал концепцию Умной Усадьбы как проект разумной автоматизации процессов, происходящих на объектах, расположенных на территории своей усадьбы, причем, подчас на приличном расстоянии от места, где нахожусь в тот или иной момент, но при этом хочется, как минимум, быть в достаточной степени уверенным в том, что происходит на этих объектах не выйдет за границы дозволенного, что я могу, при необходимости, оперативно получить представление о ситуации на усадьбе в целом и на каждом контролируемом объекте в частности, а так же, при необходимости, вмешаться в происходящие процессы не несясь, сломя голову, к тому объекту, который вызвал мою озабоченность, потому что я в этот момент занят чем-то важным, или просто – банально холодно и лень выходить из дома.

В самый канун Нового года увидела свет новая версия главного инструмента Intel для разработчиков — Intel Parallel Studio XE 2020. Давайте воспользуемся этим поводом и посмотрим, чем живет сейчас всем известная «студия» и в какую сторону развивается.

В мире JVM про корутины знают в большей степени благодаря языку Kotlin и Project Loom. Хорошего описания принципа работы котлиновских корутин я не видел, а код библиотеки kotlin-coroutines совершенно не понятен неподготовленному человеку. По моему опыту, большинство людей знает о корутинах только то, что это "облегченные потоки", и что в котлине они работают через умную генерацию байткода. Таким был и я до недавнего времени. И мне пришла в голову идея, что раз корутины могут быть реализованы в байткоде, то почему бы не реализовать их в java. Из этой идеи, впоследствии, появилась небольшая и достаточно простая библиотека, в устройстве которой, я надеюсь, может разобраться практически любой разработчик. Подробности под катом.

Перевод главы 13 Параллелизм
из книги ‘Expert Python Programming’,
Second Edition
Michał Jaworski & Tarek Ziadé, 2016

Асинхронное программирование

В последние годы асинхронное программирование приобрело большую популярность. Python 3.5 наконец-то получил некоторые синтаксические функции, закрепляющие концепции асинхронных решений. Но это не значит, что асинхронное программирование стало возможным только начиная с Python 3.5. Многие библиотеки и фреймворки были предоставлены намного раньше, и большинство из них имеют происхождение в старых версиях Python 2. Существует даже целая альтернативная реализация Python, называемая Stackless (см. Главу 1 «Текущее состояние Python»), которая сосредоточена на этом едином подходе программирования. Для некоторых решений, таких как Twisted, Tornado или Eventlet, до сих пор существуют активные сообщества, и их действительно стоит знать. В любом случае, начиная с Python 3.5, асинхронное программирование стало проще, чем когда-либо прежде. Таким образом, ожидается, что его встроенные асинхронные функции заменят большую часть старых инструментов, или внешние проекты постепенно превратятся в своего рода высокоуровневые фреймворки, основанные на встроенных в Python.

Машина Тьюринга, как модель автоматных программ

1. Введение

Программирование нуждается в новых универсальных алгоритмических моделях, а аппаратные средства реализуют алгоритмы не только в другой форме, но и на базе другой алгоритмической модели — автоматной. Заимствование технологии из сферы разработки аппаратных средств ключевая идея автоматного программирования. Однако синтез цифровых устройств отличается от программирования. Но, заимствуя модель, с одной стороны, ее не желательно существенно изменять, а, с другой стороны, нельзя не учитывать уже существующую теорию и практику программирования.

Далее мы рассмотрим SWITCH-технологию проектирования автоматных программ, в которой с подобными процессами сталкиваешься сплошь и рядом. С одной стороны, она так изменила модель конечного автомата, что фактически вывела ее за рамки теории автоматов. А, с другой стороны, вводит в программирование понятия, которые с трудом воспринимаются программистами, а, порой, просто являются лишними, т.к. существуют более привычные аналоги из теории программ и практики программирования.

За основу обсуждения проблем автоматного программирования возьмем недавнюю лекцию Шалыто А.А. [1] и его «программные» статьи к определению парадигмы автоматного программирования [2, 3].

Каждый язык, поддерживающий параллельные (конкурентные, асинхронные) вычисления, нуждается в способе запуска кода параллельно. Вот примеры из разных API:

go myfunc();                                // Golang

pthread_create(&thread_id, NULL, &myfunc);  /* C with POSIX threads */

spawn(modulename, myfuncname, [])           % Erlang

threading.Thread(target=myfunc).start()     # Python with threads

asyncio.create_task(myfunc())               # Python with asyncio

Есть много вариантов нотации и терминологии, но одна семантика — запустить myfunc параллельно основной программе и продолжить родительский поток выполнения (англ. "Control Flow")

Многоядерные процессоры — обыденность. Рано или поздно любому программисту-практику придется зайти в лабиринт многопоточного программирования и встретиться с населяющими его «чудовищами». Поговорим о том, с чего начать такой путь и какие инструменты и подходы помогут выйти победителем. Я выступил с этим докладом перед будущими участниками круглогодичной стажировки Яндекса.


— Меня зовут Сева Миньков. Я работаю в отделе облачной инфраструктуры поискового департамента. Занимаюсь в основном бэкендом. Пишу на разных языках, но чаще всего это Java и языки, запускаемые на Java Virtual Machine (JVM).

Сегодня коротко расскажу о том, как я реализовывал семафор на основании объекта синхронизации «Событие».

Сначала пройдусь по определениям.

1. Что такое синхронизация и зачем она нужна?

Очевидно, что набор действий мы можем выполнять несколькими способами. Самые простые — последовательно и параллельно. Параллельности выполнения определенных действий можно достигнуть за счет запуска различных потоков (threads). Идея простая: назначаем каждому потоку какое-то элементарное (или не очень) действие и запускаем их в определенном порядке. Вообще говоря, запустить мы их можем и все одновременно — выигрыш по времени мы, конечно, получим. Это понятно: одно дело вывести 10 000 слов одно за другим, а другое дело одновременно выводить, например, 100 слов. 100-кратный выигрыш по времени (плюс-минус, без учета задержек и проч.). Но исходная задача может предполагать строгую последовательность действий.

Например:

• Открыть файл
• Записать текст в файл
• Закрыть файл

Пример специально взят тепличный (понятно, что никакой параллелизм тут не нужен, все можно просто выполнить последовательно), но в качестве учебной задачи он вполне сойдет, а главное, на его примере отлично видна потребность в последовательном выполнении. Или вот другой пример, немного отличающийся:

• Сгенерировать три последовательности случайных чисел
• Последовательно вывести их на экран

Здесь первый пункт можно выполнять одновременно тремя разными потоками, а вот последний, вывод, нужно делать последовательно, причем только после отработки первого пункта.

В общем, задачи на параллелизм могут быть самые разные и для синхронизации потоков нужен какой-то инструмент.

"Цветорасширитель для ZX-Spectrum" — так называлась статья, опубликованная в эхе fido7.zx.spectrum 3 августа 1997 года. Статья описывала идею решения одной из главных проблем платформы ZX-Spectrum — конфликта атрибутов (attribute clash). Публикация вызвала в то время определенный интерес, про технические детали и историю вопроса я и хотел бы рассказать.

Не буду залезать глубоко в технические подробности и просто структурно опишу идею и решение.

Совсем скоро, 29-30 ноября в Санкт-Петербурге и 06-07 декабря — в Москве мы запустим шестой семинар по .NET. На этот раз — по теме многопоточки и конкурентности. Мы уже писали об этом пару раз на Хабре, но сегодня есть отдельный повод для этого: на семинаре настоящий эксклюзив. Будет описана работа гибридного примитива синхронизации: Monitor. Да, всем привычная вещица достойна отдельного доклада. Ведь он в своей работе учитывает и частоту процессора и количество ядер, учитывает lock convoy/starvation и вообще, очень сложен.

А в конце статьи развлечения ради предложу пройти парочку QUIZов по многопоточке.

Qt — чрезвычайно мощный и удобный фреймворк для C++. Но у этого удобства есть и обратная сторона: довольно много вещей в Qt происходят скрыто от пользователя. В большинстве случаев соответствующая функциональность в Qt «магически» работает и это приучает пользователя просто принимать эту магию как данность. Однако когда магия все же ломается то распознать и решить неожиданно возникшую на ровном казалось бы месте проблему оказывается чрезвычайно сложно.

Эта статья — попытка систематизации того как в Qt «под капотом» реализована работа с потоками и о некотором количестве неочевидных подводных камней связанных с ограничениями этой модели.

Основы
Thread affinity, инициализация и их ограничения
Главный поток, QCoreApplication и GUI
Rendering thread
Заключение

Доброго времени суток. В этот раз поговорим на тему, в которой начинал разбираться каждый уважающий себя адепт языка C# — асинхронное программирование с использованием Task или, в простонародье, async/await. Microsoft проделали хорошую работу — ведь для того, чтобы использовать асинхронность в большинстве случаев нужно лишь знание синтаксиса и никаких других подробностей. Но если лезть вглубь, тема довольно объемная и сложная. Ее излагали многие, каждый в своем стиле. Есть очень много классных статей по этой теме, но все равно существует масса заблуждений вокруг нее. Постараемся исправить положение и разжевать материал настолько, насколько это возможно, не жертвуя ни глубиной, ни пониманием.

Почему мы вообще хотим писать конкурентный код? Потому что процессоры перестали расти по герцовке и начали расти по ядрам. С каждым годом увеличивается количество ядер процессора, и мы хотим их эффективно утилизировать. Go — тот язык, который создан для этого. В документации так и написано.

Мы берём Go, начинаем писать конкурентный код. Конечно, ожидаем, что легко сможем обуздать мощь каждого ядра нашего процессора. Так ли это?

Меня зовут Артемий. Этот пост — вольная расшифровка моего доклада с GopherCon Russia. Он появился как попытка дать толчок людям, которые хотят разобраться, как писать хороший, конкурентный код.

Видео с конференции GopherCon Russia

Введение

Несколько лет назад, мы решили, что настало время поддержать SIMD код в .NET. Мы представили пространство имен System.Numerics с типами Vector2, Vector3,Vector4 и Vector<T>. Эти типы представляют API общего назначения для создания, доступа и оперирования векторными инструкциями, когда это возможно. Они, так же, обеспечивают программную совместимость для тех случаев, где аппаратное обеспечение не поддерживает подходящих инструкций. Это позволило, с минимальным рефакторингом, векторизовать ряд алгоритмов. Как бы там ни было, общность такого подхода делает его сложным в применении с целью получения полного преимущество от всех доступных, на современном аппаратном обеспечении, векторных инструкций. В дополнении, современное аппаратное обеспечение предоставляет ряд специализированных, не векторных, инструкций, которые могут значительно улучшать производительность. В этой статье я расскажу, как мы обошли эти ограничения в .NET Core 3.0.

Примечание: пока ещё нет устоявшегося термина для перевода Intrisics. В конце статьи есть голосовалка за вариант перевода. Если выберем хороший вариант, статью изменим

День Программиста традиционно отмечается в 256-й день года. Число 256 выбрано потому, что это количество чисел, которые можно выразить с помощью одного байта (от 0 до 255).

Все мы выбрали эту профессию по-разному. Кто-то вышел на нее случайно, кто-то выбрал специально, но теперь все мы трудимся вместе над одним общим делом: мы создаем будущее. Создаем прекрасные алгоритмы, заставляем эти коробочки работать, работать и еще раз работать, даря людям новые профессии и возможности для самовыражения… Даря людям возможность общаться друг с другом, зарабатывать на жизнь… Мы создаем для людей некоторую — ныне ставшую совершенно незаметной — часть реальности, которая стала настолько привычной и неотъемлемой частью нашей жизни, словно она стала законом природы. Подумайте сами: можно ли представить сегодня мир без интернета, смартфонов, компьютеров? Будь то вирусописатель или программист детских игрушек… Каждый из нас изменил чью-то жизнь…

Если задуматься, то мы создаем из ничего, а наш материал — мысль. Наше полотно — код программы на любимом нами языке. И язык этот — способ проекции мысли. Способ говорить. Именно поэтому у нас так много языков: ведь все мы — разные и мыслим мы по-разному. Но мы прежде всего — творцы. Как писатели, которые, создавая в своих произведениях миры со своими законами, свойствами и делами оживляют фантазию читателя, наши миры возникают в некой связке машины и человека, становясь для каждого из нас чем-то большим, чем текстом программы.

Совсем скоро, 29-30 ноября в Санкт-Петербурге и 06-07 декабря — в Москве мы запустим шестой семинар по .NET. На этот раз — по теме многопоточки и конкурентности. Мы уже писали об этом пару раз на Хабре, но сегодня — День Программиста и есть отличный повод дать вам всем комплимент: скидку на его посещение.

У меня для вас есть новость: мы с Андреем Гончаровым, моим хорошим другом и соратником решили сделать для вас доклады по lock-free, выступая вместе. Мне показалось, это должно сильно оживить атмосферу выступления. Андрей сейчас закапывается в эту тему так, что иногда его приходится даже останавливать: доклады будут очень интересными и полезными.

Юрий Власов, мой второй коллега нашёл библиотеку Microsoft.VisualStudio.Threading, которую с удовольствием использует в проектах. Он решил поведать вам о её богатых возможностях и применимости в различных задачах. Этот доклад отлично завершит тему lock-free, закрыв вопросы теории, оценки сложностей, анализа существующих алгоритмов и построения собственных вопросом хорошей реализации в виде промышленной библиотеки.

В честь Дня Программиста мы ввели промокод: CLRiumDevDay. Он действует всего-лишь два дня, когда можно забронировать билеты. Далее — вы имеете 5 дней на оплату билетов.
Первый день — скидка = 25%, второй = 15%