Организация параллельных потоков. Часть 1
Лабораторный практикум
Валентин Юльевич Арьков
© Валентин Юльевич Арьков, 2020
Введение
Большинство современных процессоров в настольных компьютерах и мобильных устройствах многоядерные. Чтобы эффективно использовать такие вычислительные ресурсы, необходимо составлять параллельные программы. Для этого можно задействовать параллельные потоки либо параллельные процессы.
В данной работе рассматривается технология параллельного программирования потоков Microsoft Windows встроенными средствами, без специальных библиотек. Для составления и компиляции программ на Си используется бесплатная интегрированная среда разработки Microsoft Visual StudioCommunity Edition.
Общие теоретические сведения об организации параллельных вычислений можно найти в соответствующей литературе [16]. В данной работе мы рассматриваем только основы организации параллельных потоков.
1. Общие сведения о работе
Целью работы является изучение технологии программирования параллельных потоков Microsoft Windows.
Основные этапы выполнения работы:
Процессы и потоки
Процессоры и ядра
Компилятор
Параллельные потоки
Состояние процесса
Время выполнения
Ускорение и эффективность
Привязка задач к ядрам
«Гонка» за доступ к данным
Критическая секция
По результатам выполнения работы оформляется отчёт.
1.1. Составление и оформление отчёта
Отчёт оформляется в виде рабочей книги Microsoft Excel.
Состав отчёта:
Титульный лист
Оглавление
Остальные листы
Для удобства навигации вкладки листов нумеруем.
В оглавлении делаем ссылку на каждый лист.
Подробнее оформление отчёта в пакете Excel описано в работе [7].
Задание. Создайте файл отчёта и оформите титульный лист и оглавление.
1.2. Ключевые определения
Перед началом выполнения работы необходимо определиться с основными терминами.
Задание. Выясните, что означают перечисленные термины:
прикладная программа (application);
алгоритм программы
исходный текст программы;
компилятор;
вычислительный процесс (process);
поток исполнения / выполнения (thread);
многопоточность;
центральный процессор (CPU);
ядро микропроцессора (Core);
HyperThreading;
виртуальный процессор.
Заметим, что независимо от физической конфигурации компьютера, операционная система представляет все вычислительные устройства как виртуальные процессоры.
Задание. Запустите Task Manager (Диспетчер задач) и определите следующие параметры:
число виртуальных процессоров;
размер доступной оперативной памяти;
число выполняемых процессов;
число потоков общее и в каждом процессе;
уровень загрузки процессора в целом и каждого виртуального процессора.
2. Организация вычислительных экспериментов
2.1. Конфигурация компьютера
Возможности улучшения вычислительной производительности компьютера ограничены его конфигурацией. Поэтому нам предстоит познакомиться со своим компьютером.
Задание. Ознакомьтесь с конфигурацией компьютера и параметрами системы с помощью следующих средств:
свойства компьютера;
диспетчер устройств;
параметр окружения NUMBER OF PROCESSORS;
сайт производителя процессора;
диспетчер задач.
Опишите в отчёте конфигурацию и состояние системы:
процессор;
разрядность процессора;
число ядер;
поддержка HyperThreading;
версия операционной системы;
разрядность операционной системы;
число выполняемых потоков на ядро;
число виртуальных процессоров;
объём занятой оперативной памяти;
объём виртуальной памяти
наличие подкачки.
2.2. Среда разработки
Данная работа выполняется с использованием среды разработки Microsoft Visual Studio. Далее рассматриваются примеры программ на языке программирования С, хотя компилятор поддерживает также и С++.
В работе используется бесплатная версия среды разработки:
Community Edition.
Дистрибутив находится на сайте
VisualStudio.com.
Рекомендуется использовать английскую версию среды программирования.
Обратите внимание на название каталога, в который установлен компилятор.
В случае 32-разрядной ОС можно установить только 32-разрядные приложения. Каталог для установки:
Program Files.
В случае 64-разрядной ОС можно установить как 32-разрядные, так и 64-разрядные приложения. Каталоги для установки соответственно:
Program Files (x86)
Program Files.
Далее мы будем создавать именно 32-разрядные приложения, причём работающие в командной строке.
Задание. Проверьте наличие компилятора на компьютере. Если компилятор установлен, запустите его. Если компилятор отсутствует, установите его.
Опишите в отчёте параметры компилятора:
версия;
язык интерфейса;
разрядность.
3. Приёмы программирования
3.1. Программа Hello, World!
Hello, World это первая программа для знакомства со средой разработки и процедурой компиляции.
Запустите Visual Studio. Создайте новый проект.
File New Project.
Выберите создание консольного приложения:
Create a new project Empty project Next.
Укажите название проекта:
Project name.
Каталог для хранения проекта:
Location.
Ставим галочку в строке:
Place solution and project in the same directory.
Нажмите кнопку
Create.
Добавьте файл с исходным текстом к проекту:
Solution Explorer Source Files [Контекстное меню] Add New Item.
В окне
Add New Item
установите
Visual C++ Code C++ File (.cpp).
Укажите название файла и его расположение. Нажмите кнопку Add.
Введите текст программы (рис. 3.1).
Рис. 3.1. Программа Hello, World
Сохраните файл, нажав комбинацию клавиш:
Ctrl + S.
Установите конфигурацию проекта
Release;
х86.
Чтобы скомпилировать исполняемый файл, вызываем в верхнем меню
Build Solution.
Для запуска программы на выполнение используем комбинацию клавиш:
[Ctrl + F5].
Сохранение файла вызывается с помощью следующей комбинации клавиш:
[Ctrl + S].
Рекомендуем создавать проекты в подкаталогах одного рабочего каталога. Названия проектов, файлов и каталогов должны быть короткими и информативными. Чем короче путь к файлу, тем легче будет до него добраться в командной строке.
Задание. Ознакомьтесь с историей программы «Hello, World» на сайте Википедии. Выясните, как правильно переводится эта фраза на русский язык.
Задание. Прочитайте в Википедии статью Консоль. Выясните, что означает слово «консоль».
Задание. Создайте проект и запустите программу на выполнение:
Создайте новый проект.
Добавьте файл типа *.С.
Введите исходный текст программы.
Скомпилируйте проект и запустите программу.
Скомпилируйте проект.
Запустите программу из среды разработки.
Запустите программу из Проводника Windows.
Для работы в командной строке нужно запустить командное окно:
[Win + R] cmd OK.
Чтобы перейти на нужный диск, введите букву и двоеточие. Например, для перехода на диск D:, нужно ввести
d:
Переход между каталогами команда cd.
Чтобы подняться один на уровень выше по файловому дереву, используем команду
cd..
Просмотр содержимого каталога:
dir.
Для запуска программы на выполнение введите название программы
Задание. Запустите командную строку, перейдите в каталог своей программы и запустите её на выполнение.
3.2. Диапазоны значений переменных
В нашей работе мы будем иметь дело с большими целыми числами счётчиками и суммами. Поэтому при объявлении типа переменной нужно учитывать максимальное значение, которое можно будет записать в эту переменную.
Диапазон значений переменной зависит от количества байт. Стандартные целые типы используют 1, 2, 4 или 8 байт.
Кроме количества байтов, нужно учитывать наличие знака:
числа со знаком (signed)
числа без знака (unsigned).
Зная эти параметры, можно приблизительно оценить диапазон возможных значений. Для грубых оценок можно считать, что 2^10 приблизительно равно 10^3.