Организация параллельных потоков. Часть 1. Лабораторный практикум

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.

2.1. 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.

3.1. 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.

Задание. Составьте список целых типов и оцените диапазон их значений.

3.3. Параметры командной строки

Программу (исполняемый файл типа *.EXE) обычно запускают на выполнение несколькими способами:

– среда разработки;

– Проводник Windows;

– файловый менеджер типа FAR.

При запуске программы на выполнение из Проводника обычно ограничиваются указанием имени исполняемого файла.

Задание. Запустите свою программу тремя перечисленными способами.

Командная строка – это один из первых видов компьютерных интерфейсов. Он может также упоминаться под другими названиями:

– командное окно;

– интерпретатор командной строки;

– командный процессор;

– command prompt.

При запуске программы в командной строке у нас появляются дополнительные возможности. После имени исполняемого файла file. exe можно дополнительно указать любые параметры param1, param2, param3, напечатав их через пробел:

file param1 param2 param3.

Расширение имени файла EXE можно не указывать.

В данной работе мы будем использовать параметры (аргументы) командной строки. Эти параметры попадают «внутрь» программы и доступны для использования во время выполнения программы.