abclinuxu.cz AbcLinuxu.cz itbiz.cz ITBiz.cz HDmag.cz HDmag.cz abcprace.cz AbcPráce.cz
AbcLinuxu hledá autory!
Inzerujte na AbcPráce.cz od 950 Kč
Rozšířené hledání
×
včera 15:44 | Nová verze

Byl vydán Debian 10.2, tj. druhá opravná verze Debianu 10 s kódovým názvem Buster. Řešeny jsou především bezpečnostní problémy, ale také několik vážných chyb. Instalační média Debianu 10 lze samozřejmě nadále k instalaci používat. Po instalaci stačí systém aktualizovat.

Ladislav Hagara | Komentářů: 0
15.11. 13:22 | Zajímavý článek

Na stránkách spolku OpenAlt vyšel Rozhovor s Jaroslavem Tulachem o GraalVM – o kompilátoru umožňujícím v jednom programu kombinovat různé jazyky (Java, JavaScript, Ruby, R, C, C++, Fortran, Rust aj.), překládat do nativních binárek nebo si snadno vytvořit vlastní jazyk a použít při tom stávající ekosystém (debugger, profiler, IDE atd.).

xkucf03 | Komentářů: 0
15.11. 11:55 | Komunita

Bylo spuštěno předobjednávání linuxových chytrých telefonů PINEPHONE v limitované edici BraveHeart. Cena telefonu je 149 dolarů. Cena dopravy do Česka je 15 dolarů. Telefony by mely být odesílány na přelomu prosince a ledna.

Ladislav Hagara | Komentářů: 17
15.11. 02:22 | Pozvánky

Fedora 31 Release Party, tj. oslava nedávného vydání Fedory 31, se uskuteční ve středu 20. listopadu v Brně. Program přednášek bude upřesněn.

Ladislav Hagara | Komentářů: 3
15.11. 01:11 | Nová verze

Příspěvek na blogu webové aplikace pro spolupráci na zdrojových kódech pomocí gitu Gitea (Wikipedie) představuje novinky a ukazuje náhledy nové major verze 1.10.0 této v programovacím jazyce Go naprogramované aplikace. Nově jsou například vedle sebe zobrazovány původní a nové verze obrázků.

Ladislav Hagara | Komentářů: 0
14.11. 22:33 | IT novinky

Společnost Docker stojící za stejnojmennou kontejnerovou technologií čelila vážným finančním problémům. Stávající investoři do ní ale vložili dalších 35 milionů dolarů a společnost Mirantis odkoupila Docker Enterprise.

Ladislav Hagara | Komentářů: 0
14.11. 16:11 | IT novinky

Od 24. listopadu bude možné předobjednat přenosný počítač Pocket Popcorn Computer (Pocket P.C.) s 1.2 GHz Quad-Core ARM Cortex-A53 CPU, 2GB DDR3 RAM, 32GB eMMC Memory, 4.95" Full HD IPS LCD a 3200 mAh Removable Battery. Počítač by měl být odesílán v květnu 2020. Předinstalován by měl být Debian 10.

Ladislav Hagara | Komentářů: 107
14.11. 11:11 | Komunita

Canonical věnoval nadaci UBports další telefony a tablety pro podporu vývoje Ubuntu Touch, tj. Ubuntu pro telefony a tablety. Vybraní vývojáři Ubuntu Touch je mohou získat zdarma.

Ladislav Hagara | Komentářů: 20
14.11. 09:33 | Zajímavý projekt

Společnost GitHub v rámci svého GitHub Archive Programu vytvoří několik off-line záloh open source softwaru nacházejícího se na GitHubu pro budoucí generace. První taková záloha všech aktivních repozitářů proběhne 2. února 2020 ve spolupráci se společností Pigl na jejich piqlFilmy a uložena bude v Arktickém světovém archivu. Případné obnovení ze zálohy by mělo být možné i za 1 000 let.

Ladislav Hagara | Komentářů: 7
14.11. 05:55 | Nová verze

Dnes a zítra probíhá v Praze konference Internet a Technologie 19 pořádaná sdružením CZ.NIC. Sledovat ji lze online.

Ladislav Hagara | Komentářů: 1
Jaké hodinky nosíte (nejčastěji)?
 (24%)
 (6%)
 (16%)
 (54%)
Celkem 197 hlasů
 Komentářů: 11, poslední 15.11. 11:52
Rozcestník

OctaSTD - bezpečný a rychlý multithreading a další změny

23.3.2017 18:05 | Přečteno: 1396× | octaforge | Výběrový blog

Poslední zápisek byl celkem nedávno, ale od té doby se událo celkem dost změn, hlavně co se týče připravovaného paralelního frameworku, který umožní využití vícejádrových CPU bez obvyklých problémů spojených s vlákny a jejich synchronizací.

Ale první na chvíli zpět ke korutinám.

Změny v korutinách

Díky tomu, že korutiny jsou víceméně lehké vlákna, ale s kooperativním schedulingem, je můžeme jednoduše využít jako základ pro lehké vlákna s vlastním schedulerem. Ale aby to opravdu fungovalo a bylo optimální, potřebujeme pár věcí.

Stack alokátory

Korutiny si alokují vlastní stacky. Jednou strategií je prostě dát korutině velikost stacku a potom udělat alokaci uvnitř. To ale není flexibilní, takže OctaSTD má podporu pro stack alokátory.

Stack alokátor vypadá stukturálně nějak takto, podobně jako v Boost.Context:


struct stack_allocator {
    stack_context allocate();
    void deallocate(stack_context &) noexcept;
};

Velikost stacku si určí alokátor, může to být třeba argument při konstrukci alokátoru. V OctaSTD jsou dva výchozí stack alokátory. Jeden je fixedsize_stack, ten druhý protected_fixedsize_stack. Jak jejich název napovídá, alokují stacky s fixní velikostí. Implementačně používají mmap() s MAP_ANON na POSIX systémech a VirtualAlloc na Windows. Jejich velikost je v OctaSTD vždy násobek velioksti jedné stránky (jedná stránka je na x86 4 KiB).

Hranice velikosti a výchozí velikost jsou dány strukturou stack_traits. Ta poskytuje několik funkcí, které alokátoru řeknou, zda je velikost stacku nějak omezená systémem, jaké jsou limity a jaká je výchozí velikost. Výchozí velikost stacku je na běžných architekturách 64 KiB.

Protected stack je v podstatě to samé; jediný rozdíl je, že jedna stránka na konci stacku je chráněná paměť, takže místo stack overflow dostaneme při přetečení předvídatelně segfault.

Stack pool

Pokud implementujeme lehké vlákna a scheduler, bude jich možná i hodně, a alokovat pro každou korutinu nový stack zvlášť není optimální. Proto má OctaSTD stack pool. Ten dělá dvě věci:

Stack pool má metodu get_allocator(), která vrátí stack allocator alokující ze stack poolu.

Rostoucí stacky

Chtěl jsem implementovat i rostoucí stacky, tzn. takové, které budou postupně rezervovat více místa jak je potřeba. To se dá implementovat pomocí víceméně nezdokumentovaných API z libgcc pro GCC a Clang na POSIX systémech, a pak se musí kompilovat s -fsplit-stack. Bohužel toto není možné na Windows a na ostatních kompilátorech. Proto jsem se rozhodl rostoucí stacky neimplementovat - pokud je nemůžu garantovat na všech platformách, je lepší je nemít vůbec. Výchozí velikost pevného stacku by měla ale měla skoro vždy stačit.

Generátory

Standardní korutiny nejsou optimální jako generátory. Proto jsem přidal nový typ pro generátory. Rozdíly jsou v podstatě takové:

S generátory se dá psát třeba takový kód:


auto f = [](auto yield) {
    for (int i: range(5, 26, 5)) {
        yield(i);
    }
};
for (int i: generator<int>{f}) {
    writefln("generated: %s", i);
}

Channels

OctaSTD teď implementuje tzv. channels, podobné jako třeba v jazyce Go. Pro ty, co je neznají, je to v podstatě thread-safe queue. V OctaSTD mají channels momentálně takový interface:


template<typename T>
struct channel {
    void put(T const &);
    void put(T &&);
    T get();
    bool try_get(T &);
    bool is_closed();
    void close();
};

Funguje to tak, že metoda .put(x) vloží do fronty hodnotu a probudí jedno vlákno, které na hodnotu čeká. Metoda .get() oproti tomu zkontroluje, jestli je ve frontě už nějaká hodnota; pokud ano, tak si ji to vezme, pokud ne, tak pozastaví vlákno a čeká na .put(x). Jeden channel může být sdílený mezi několika vlákny (třeba několik vláken může na něm volat .put(x) a jedno vlákno několikrát .get() nebo i obráceně). Komunikace může probíhat oběma směry, ale vzhledem k tomu, že jde o jednu frontu, tak většinou dává smysl jeden vybraný směr.

Metoda .try_get(x) je rozdílná jen v tom, že na hodnotu nečeká a vrátí true v případě přítomnosti hodnoty ve frontě a false v případě její nepřítomnosti. A .is_closed() a .close() je celkem jasné. Po zavření kanálu jej není možné dále použít.

Interní stav v channels používá reference counting. Díky tomu každé vlákno může mít vlastní referenci na channel a interní stav se neuvolní, dokud je alespoň jedno z vláken naživu. To dělá channels bezpečné, i s nepředvídatelným schedulerem.

Concurrency

Na základě korutin a kanálů implementuje OctaSTD svůj systém.

Schedulery

Základní strukturou je v tomto případě scheduler. To je struktura, která definuje chování úloh a s nimi spojených operací. Použití je u všech schedulerů stejné. Mají tento základní interface:


struct scheduler {
    template<typename F, typename ...A>
    auto start(F &&func, A &&..args) -> std::result_of_t<F(A...)>;
    void spawn(std::function<void()>);
    void yield();
    generic_condvar make_condition();
};

První je metoda .start(f, a...). Ta v podstatě obvykle nahrazuje standardní main. Je první úlohou, kterou scheduler spustí (ta má také daleko větší stack, protože 64 KiB by prostě pro celý program nestačilo). Tato metoda vrací návratovou hodnotu z předané funkce, a neudělá to, dokud všechny úlohy neskončí.

Následuje metoda .spawn(f). Ta spustí novou úlohu (vlákno). Co to vlastně ta úloha je si definuje sám scheduler.

Dále je .yield(). Ta řekne scheduleru, že se má aktuálně běžící úloha pozastavit a přesunout na konec fronty. To způsobí spuštění další úlohy ve frontě s tím, že ta předchozí bude pokračovat později.

A pak tu máme .make_condition(). Struktura generic_condvar je polymorfický wrapper pro buď normální std::condition_variable nebo vlastní interní strukturu, kterou si definuje sám scheduler. Poskytuje vlastně obecný interface k 1) pozastavení aktuální úlohy a čekání 2) probuzení jedné čekající úlohy 3) probuzení všech čekajících úloh. Jak to udělá, už je na implementaci, a záleží na tom, jak je definována úloha.

Takže to funguje v podstatě tak, že "hlavní" stupní funkce se spustí přes .start(f, a...) a ta pak dále spouští další úlohy.

Dostupné schedulery

thread_scheduler

Prvním dostupným schedulerem je thread_scheduler. Ten reprezentuje každou úlohu systémovým vláknem (std::thread) a samotný scheduling nechá na operačním systému. Jako generic_condvar používá std::condition_variable. Na určitých systémech (Windows) je tento přístup relativně pomalý a náročný. Na Linuxu a BSD jsou vlákna vcelku lehká, ale stále pomalejší než korutiny. Efektivně tento scheduler implementuje model 1:1 (kernel level scheduling).

simple_coroutine_scheduler

Další jednoduchý scheduler, který pro změnu implementuje model N:1 (user-level scheduling), kde každá úloha běží na hlavním systémovém vlákně a je reprezentována korutinou. Jako podmínková proměnná je použita jednoduchá vlastní implementace s jedním boolem a pár yieldy. Tento scheduler je velmi lehký, ale omezený na jedno vlákno.

coroutine_scheduler

Třetí, nejdůležitější scheduler implementuje hybridní M:N model, kde se spustí určitý počet systémových vláken (typicky stejný, jako počet fyzických vláken na CPU) a jednotlivé úlohy se reprezentují korutinami. Tento přístup kombinuje to nejlepší z těch dvou ostatních - máme velmi lehké úlohy, kterých můžeme tvořit stovky, a ty se rovnoměrně pospouští na jednotlivých systémových vláknech. Jako podmínková proměnná je použita trochu složitější vlastní implementace s čekací frontou.

Dostupné API

Pro pohodlí OctaSTD definuje několik API, které se nemusí explicitně volat na aktuálním scheduleru, protože znají aktuální scheduler interně.


template<typename F, typename ...A>
void spawn(F &&func, A &&...args);

template<typename T>
channel<T> make_channel();

void yield();

První API, spawn(f, ...) spustí na aktuálním scheduleru novou úlohu. Druhé API, make_channel<T> vytvoří komunikační kanál s typem T. A třetí API, yield() prostě zavolá stejné API na scheduleru.

Použití

Tady je ukázka z příkladů v OctaSTD repozitáři:


#include <ostd/io.hh>
#include <ostd/concurrency.hh>

using namespace ostd;

int main() {
    /* have an array, split it in two halves and sum each half in a separate
     * task, which may or may not run in parallel with the other one depending
     * on the scheduler currently in use - several schedulers are shown
     */
    auto foo = []() {
        auto arr = ostd::iter({ 150, 38, 76, 25, 67, 18, -15,  215, 25, -10 });

        auto c = make_channel<int>();
        auto f = [](auto c, auto half) {
            c.put(foldl(half, 0));
        };
        spawn(f, c, arr.slice(0, arr.size() / 2));
        spawn(f, c, arr + (arr.size() / 2));

        int a = c.get();
        int b = c.get();
        writefln("%s + %s = %s", a, b, a + b);
    };

    /* using thread_scheduler results in an OS thread spawned per task,
     * implementing a 1:1 (kernel-level) scheduling - very expensive on
     * Windows, less expensive on Unix-likes (but more than coroutines)
     */
    thread_scheduler{}.start([&foo]() {
        writeln("(1) 1:1 scheduler: starting...");
        foo();
        writeln("(1) 1:1 scheduler: finishing...");
    });
    writeln();

    /* using simple_coroutine_scheduler results in a coroutine spawned
     * per task, implementing N:1 (user-level) scheduling - very cheap
     * and portable everywhere but obviously limited to only one thread
     */
    simple_coroutine_scheduler{}.start([&foo]() {
        writeln("(2) N:1 scheduler: starting...");
        foo();
        writeln("(2) N:1 scheduler: finishing...");
    });
    writeln();

    /* using coroutine_scheduler results in a coroutine spawned per
     * task, but mapped onto a certain number of OS threads, implementing
     * a hybrid M:N approach - this benefits from multicore systems and
     * also is relatively cheap (you can create a big number of tasks)
     */
    coroutine_scheduler{}.start([&foo]() {
        writeln("(3) M:N scheduler: starting...");
        foo();
        writeln("(3) M:N scheduler: finishing...");
    });
}

/*
(1) 1:1 scheduler: starting...
356 + 233 = 589
(1) 1:1 scheduler: finishing...

(2) N:1 scheduler: starting...
356 + 233 = 589
(2) N:1 scheduler: finishing...

(3) M:N scheduler: starting...
356 + 233 = 589
(3) M:N scheduler: finishing...
*/

Závěr

To je zatím všechno. Tyto API jsou všechny momentálně dost jednoduché a budou se rozšiřovat podle potřeby. To bude potom tématem dalšího zápisku.

       

Hodnocení: 100 %

        špatnédobré        

Tiskni Sdílej: Linkuj Jaggni to Vybrali.sme.sk Google Del.icio.us Facebook

Komentáře

Vložit další komentář

28.3.2017 21:39 citanus | skóre: 12 | Cork (Ireland)
Rozbalit Rozbalit vše Re: OctaSTD - bezpečný a rychlý multithreading a další změny

pekna prace

ISSN 1214-1267   www.czech-server.cz
© 1999-2015 Nitemedia s. r. o. Všechna práva vyhrazena.