Multitrådet programmering i C++ Treningskurs

Ufordel ved synkronisering

• Begrensninger i plattformers maskinvare - tråder på maskinvarenivå, pipelines, cache-sammenheng
• Fundamentale begreper knyttet til multitrådet programmering (korrekthet av multitrådete programmer, livlighet, haminge, deadlock, overføring, atomaritet, sammenhengsmodeller, Flynns klassifisering)
• Tilgjengelige mekanismer i C++ for å implementere multitråding og multiprosessering
• Implementering av standardbiblioteket - elementer fra C++14 til dagens dato (C++2a)
• Implementering tilgjengelig i Boost - forskjeller i forhold til standardbiblioteket

Prossesser og tråder

• Forskjell mellom multiprosesserte og multitrådete applikasjoner
• Operativsystemer og tråder (en kort gjennomgang av tilgjengelige implementeringer)
• Synkroniseringsmekanismer for prosesser og tråder
• Strukturell implementering av synkronisering
• Spesifikt ved objektorientert tilnærming til multitråding (rollen av RAII-mønsteret)

Hukommelsesmodell i C++

• Objekter og plasser i hukommelsen
• Kvitting av operasjoner og påtvingelse av dem
• Relasjoner: synkronisering, forutsetninger, ordning av operasjoner for atomiske handlinger, sekvenser med frigivelse
• Hukommelsesbarrierer
• Atomiske operasjoner

Trådforvaltning i C++14 og nyere

• Klassen std::thread og oppstart av tråder
• Identifisering av tråder
• Vedlegg og avkobling av tråder
• Tråder og standardcontainer
• Feilhåndtering i C++14-tråder

Mutual eksklusjon og kritiske seksjoner

• Enkle regler for mutual eksklusjon
• Konsepter (typer) tilgjengelige blokkeringselementer
• Hurtig innføring i tidsbehandling i C++14 (chrono-biblioteket)
• Klassene std::mutex, std::timed_mutex, std::shared_mutex og deres deriverte
• RAII-mønster i blokkeringsbehandlingen (std::lock_guard, std::unique_lock)
• Blokkeringer som er avhengige eller utsatt (std::lock)
• Eierskap og felles eierskap til blokkeringer og tråder
• Leser-skriver-problemet
• Enkelt initialisering
• Lokal (privat) trådhukommelse (engelsk: std::thread_local)

Blokkeringer og trådsynkronisering

• Operasjoner på semaforer
• Rekursive blokkeringer
• Blokkeringer med definert blokkernivå
• Avgjørelsesvariabler og samarbeid med blokkeringer
• Implementering av aktive og passive barrierer (engelsk: Idle Waits, Busy Waits)
• Gjenopptakelse av trådaktivitet
• Kommunikasjon mellom tråder (Aktørmodellen og CSP-modellen)

Asynkrone oppgaver

• Asynkrone hendelser og deres håndtering
• Fremtidige hendelser (engelsk: future)
• Forpliktelser (promises) (engelsk: promise)
• Tilberedte oppgaver (engelsk: packaged_task)

Atomiske typer

• Standard atomiske typer
• Universell atomisk flagg (std::atomic_flag)
• Mallklassen «std::atomic» og dens spesialiseringer
• Værktøksfunksjoner (frie) for std::atomic-typer

Karakteristikk ved API-design for multitråding

• Design av strukturer med blokkering - grovt og fint granulerte blokkeringer
• Ytelse av synkron kode - teknikker for estimering og måling
• Dataopdeling
• Skalering av løsninger
• Håndtering av feil og unvanlige situasjoner i applikasjonens arkitektur

Testing og debugging av multitrådede applikasjoner

• Kodegjennomgang med fokus på multitrådeoperasjoner
• Egenskaper ved testing av multitrådede applikasjoner
• Enhetstesting
• Økning av sannsynligheten for feilaktige situasjoner i tester
• Formelle metoder for testing av multitrådede applikasjoner
• Mønstre i arkitektur for multitrådede applikasjoner og testing/feilsøking (gjennomgang)

Fortsatt trådforvaltning

• Avhengige tråder (Sagi-mønster)
• Unngå konkurransedrøft mellom dataadgang
• Kontrollert stopp og avbryting av tråder
• Avbrudd av blokkerende anrop
• Håndtering av avbrytelse
• Oppdragetyveri (task stealing)
• Avbryting av oppgaver under programavslutning

Designmønstre for multitråding

• Typer og formål med multitrådmønstre
• Anvendelsesområder for mønstre
• Trådpark (Thread Pool)
• Aktivt objekt-mønster (Active Object)
• Sikker trådødelig kø (Thread Safe Queue)
• Produsent-konsument-mønster (Producer Consumer)
• Monitor-mønster (Monitor)
• Sikkerhet for GoF-designmønstre i multitråding