Úvod

V dnešní době, kdy dvou i vícejádrové procesory jsou naprosto běžné by bylo škoda nevyužít tento potenciál. Koncept multithreadingu je znám už dlouho, ale není tomu tak dávno co vícejádrové procesory byly doménou pouze serverových systémů.

V oblasti vývoje aplikací v jazyce Visual Basic bylo poprvé možné plnohodnotně vyvíjet vícevláknové aplikace s příchodem Visual Basicu 7.0 (Visual Basic .NET) v roce 2002. Toto bylo obrovským přínosem pro Visual Basic vývojáře, kterým se tímto dostal do ruky mocný nástroj.

Co je to Thread (vlákno)?

Vlákno je posloupnost instrukcí, které můžou být zpracovávány současně s dalšími vlákny. Je to cesta jak rozdělit program do více paralelně (nebo pseudo-paralelně) běžících úloh.

Je třeba rozlišovat mezi pojmy vlákno a proces. Proces obsahuje jedno nebo více vláken. Vlákna uvnitř procesu mohou vzájemně sdílet stejná data, procesy nikoliv.

Co je to Multithreading (vícevláknové zpracování)?

Vícevláknové zpracování obecně funguje na principu rozdělování času - každému vláknu je přidělen určitý čas procesoru (jehož délka závisí například na prioritě vlákna) a po uplynutí procesor přepne na další vlákno. Přepínání mezi vlákny probíhá tak rychle, že máme dojem že vše běží současně. Velmi důležitý je fakt, že procesor se může přepnout na další vlákno uprostřed zpracování nějaké operace (v dalším kole se ve zpracování pokračuje tam kde se skončilo) a to je právě hlavní důvod k synchronizaci o které budu psát později. Systém který se stará o přidělování času vláknům se nazývá Scheduler (plánovač - pozor, neplést s programem Plánovač úloh). Jiný způsob dosažení vícevláknového zpracování je tzv. Multiprocessing (souběžné zpracování), který využívá všechny procesory v systému ke skutečně paralelnímu zpracování - máte-li dvě a více jader, můžete zpracovávat dvě a více úloh současně. Existují dva způsoby multithreadingu - preemptivní, kde čas přiděluje systém (běžně používaný způsob) a kooperační, kdy je na vláknu samotném aby předalo řízení dál (používalo se ve Windows 3.x).

Hlavní problémy při psaní vícevláknových aplikací

Race condition

Race condition je nežádoucí stav, ke kterému dochází v momentě, kdy jedno nebo více vláken přistoupí ke sdíleným datům zatímco jiné vlákno s těmito daty již pracuje. Tato sdílená data se nazývají kritická oblast, část programu která pracuje s daty v kritické oblasti a kterou je třeba dokončit jako celek se nazývá kritická sekce.

Deadlock

Noční můra každého programátora. Deadlock nastává v momentě, kdy dokončení operace A je podmíněno dokončením operace B a zároveň dokončení B je podmíněno dokončením A. Jinak řečeno A čeká na B a B čeká na A, program tedy uvázne v mrtvém bodě. Ve většině případů je to způsobeno nesprávným použitím synchronizačního objektu ReaderWriterLock, který se stará o uzamykání přístupu ke sdíleným datům pro jednotlivá vlákna. Najít a odstranit Deadlock je velmi obtížné, obzvlášť u rozsáhlých projektů.

Atomické operace

Atomickou operací nazýváme takovou funkci, u které je na 100% zaručeno, že bude dokončena jako celek a že systém nepřepne na jiné vlákno uprostřed jejího zpracování. Takové funkce můžeme najít ve třídě System.Threading.Interlocked a jedná se o základní operace jako sčítání, inkrementace a dekrementace čísel a záměna čísel.

Příklad

Následující příklad vícevláknového zpracování představuje konzolovou aplikaci, která plní pole o velikosti 10 000 000 prvků náhodnými čísly. Aby byl vidět rozdíl délky zpracování, provádí se plnění pole nejprve hlavním vláknem a potom dvěma vlákny současně. Vzhledem k tomu, že příklad má být co nejjednodušší, neřeším zde synchronizaci přístupu ke sdíleným datům (pole náhodných čísel) do kterého zapisují obě vlákna současně. Výsledky se mohou na různých hardwarových konfiguracích lišit a na jednojádrových procesorech může být zpracování jedním vláknem dokonce rychlejší.

Imports System.Threading
Module Module1
  'Pole pro naplnění náhodnými čísly (sdílená data)
  Private numbers(9999999) As Integer
  Sub Main()
    'Nastaví název hlavního vlákna programu
    '(potom je přehledně vidět v seznamu vláken při ladění)
    Thread.CurrentThread.Name = "Main"
    'Naplnit celé pole náhodnými čísly jen pomocí hlavního vlákna
    ProcessNumbers(New Integer() {0, 9999999})
    'Vytvoření dvou vláken které budou provádět metodu ProcessNumbers
    '(každé vlákno nezávisle na sobě)
    Dim numberProcessor1 As New Thread(AddressOf ProcessNumbers)
    Dim numberProcessor2 As New Thread(AddressOf ProcessNumbers)
    numberProcessor1.Name = "numberProcessor1"
    numberProcessor2.Name = "numberProcessor2"
    'Spuštění obou vláken s parametrem (počátek a konec plnění pole)
    numberProcessor1.Start(New Integer() {0, 4999999})
    numberProcessor2.Start(New Integer() {5000000, 9999999})
    Console.ReadKey()
  End Sub
  'Metoda pro naplnění pole náhodnými čísly
  '(musí odpovídat delegátu System.Threading.ThreadStart nebo
  'System.Threading.ParameterizedThreadStart)
  Private Sub ProcessNumbers(ByVal obj As Object)
    Dim t0 As Date = Date.Now
    'Přetypování z objektu na pole dvou čísel
    '(počátek a konec plnění pole)
    Dim indexes() As Integer = DirectCast(obj, Integer())
    Dim randomizer As New Random()
    For index As Integer = indexes(0) To indexes(1)
      numbers(index) = randomizer.Next(Integer.MinValue, Integer.MaxValue)
    Next
    Console.WriteLine(String.Format("{0}: {1:N0} ms", Thread.CurrentThread.Name, Date.Now.Subtract(t0).TotalMilliseconds))
  End Sub
End Module

Main: 1 563 ms
numberProcessor1: 1 094 ms
numberProcessor2: 1 328 ms

Znamená to, že zpracování jedním vláknem trvalo 1 563 ms a zpracování dvěma vlákny současně 1 328 ms (obě vlákna byla spuštěna téměř současně, takže je třeba vybrat větší hodnotu protože druhé vlákno skončilo dříve). Rozdíl je sice nepatrný, ale v případě že by se jednalo o mnohem náročnější výpočet než vytvoření náhodného čísla (například výpočet čísla Pi s vysokou přesností) by byl rozdíl daleko větší.

Co dál?

V dalším díle seriálu bych se chtěl věnovat především problému synchronizace, ale rád uvítám veškeré vaše návrhy co byste chtěli vědět ohledně vícevláknového zpracování.