Предложения по осуществлению контроля прочитанной темы (примеры задач, практических заданий т. п.)

Для проверки внимания студентов в прочитанный материал были заданы контрольные вопросы и выдано задание на лабораторную работу по прочитанной лекции. Также материал прочитанной лекции войдёт в вопросы экзамене по этой дисциплине. обучение контроль педагогический.

Текст лекции

Основы многопоточности в .NET Framework.

Многопоточность — одна из самых сложных тем в программировании, с ней постоянно возникает масса проблем. Без четкого понимания внутренних механизмов будет очень трудно предсказать результат работы приложения, использующего несколько потоков. Мы не будем здесь дублировать массу теоретической информации, которой очень много в сети и умных книгах. Вместо этого сконцентрируемся на конкретных и наиболее важных проблемах, на которые нужно обращать особое внимание и обязательно помнить о них в процессе разработки.

Потоки Как все наверняка знают, поток в .NET Framework представлен в виде класса Thread. Разработчики могут создавать новые потоки, давать им осмысленные имена, изменять приоритет, запускать, ожидать завершения работы или останавливать.

Потоки делятся на background (фоновый) и foreground (основной, тот, что на переднем плане). Основное отличие между ними в том, что foreground-потоки препятствуют завершению программы. Как только все foreground-потоки остановлены, система автоматически остановит все background и завершит выполнение приложения. Чтобы определить, является поток фоновым или нет, необходимо вызвать следующее свойство текущего потока: Thread.CurrentThread.IsBackground.

По умолчанию, при создании потока при помощи класса Thread мы получим foreground-поток. Для того, чтобы его поменять на фоновый, мы можем воспользоваться свойством thread.IsBackground.

В приложениях, которые имеют пользовательский интерфейс (UI), всегда есть как минимум один главный (GUI) поток, который отвечает за состояние компонентов интерфейса. Важно знать, что возможность изменять состояние представления есть только у этого, так называемого «UI-потока», который создается для приложения обычно в единственном экземпляре (хотя и не всегда).

Стоит также упомянуть про исключительные ситуации, которые могут возникать в дочерних потоках. В такой ситуации приложение будет экстренно завершено, и мы получим Unhandled Exception, даже если обернем код запуска потока в блок try/catch. В таком случае, обработку ошибок необходимо вынести в код дочернего потока, в котором уже можно будет отреагировать на конкретную исключительную ситуацию.

Применяя глобальную обработку исключений (Application_Error в ASP.NET, Application. DispatcherUnhandledException в WPF, Application. ThreadException в WinForms и т. д.) важно помнить, что при таком подходе мы сможем «ловить» исключительные ситуации, которые произошли ТОЛЬКО в UI потоке, то есть мы не «поймаем» исключения из дополнительных фоновых потоков. Также мы можем воспользоваться AppDomain.CurrentDomain.UnhandledException и вклиниться в процесс обработки всех необработанных исключительных ситуаций в рамках домена приложения, но мы никак не сможем воспрепятствовать процессу завершения приложения.

Потоки — это дорогостоящие объекты, которые занимают память, могут использовать различные ресурсы системы и находиться в разных состояниях. Для их создания требуется время. В сравнении с процессами они менее ресурсоемки, но все же требуют довольно больших затрат на создание и уничтожение. Более того, за освобождение занимаемых конкретным потоком ресурсов отвечает разработчик. Например, для выполнения массы небольших задач неэффективно запускать множество потоков, так как издержки на их запуск могут превысить выгоду от использования. Для того, чтобы иметь возможность повторно использовать уже запущенные потоки и избавиться от издержек на создание, был введен так называемый пул-потоков (ThreadPool).

ThreadPool.

В рамках каждого процесса CLR создает одну дополнительную абстракцию, которая называется пул потоков. Он представляет собой набор потоков, которые находятся в режиме ожидания и готовы выполнять любую полезную работу. При запуске приложения пул-потоков запускает минимальное количество потоков, которые находятся в состоянии ожидания новых задач. Если активных потоков недостаточно для эффективного выполнения задач в пуле, он запускает новые и использует их по тому же принципу повторного использования. Пул довольно умный и умеет определять необходимое эффективное количество потоков, а также останавливать лишние или запускать дополнительные. Можно задавать максимальное и минимальное количества потоков, но на практике это делают редко.

Потоки внутри пула разделяются на две группы: worker и I/O-потоки. Рабочие потоки фокусируются на работе, связанной с загрузкой CPU (CPU based), в то время как I/O-потоки — на работе с устройствами ввода/вывода: файловая система, сетевая карта и другие. Если пытаться выполнять I/O-операцию на рабочем потоке (CPU based), то это будет напрасная трата ресурсов, так как поток будет находиться в состоянии ожидания завершения I/O-операции. Для подобных задач предназначены отдельные I/O-потоки. При использовании пула потоков это скрыто в явном виде от разработчиков. Получить количество разных потоков в пуле можно при помощи кода: ThreadPool. GetAvailableThreads (out workerThreads, out competitionPortThreads);

Для того, чтобы определить, является текущий поток взятым из пула или созданным вручную, необходимо воспользоваться конструкцией:

Thread.CurrentThread.IsThreadPoolThread.

Запустить задачу на выполнение при помощи потока, взятого в пуле, можно с помощью:

• · класса ThreadPool: ThreadPool. QueueUserWorkItem
• · асинхронных делегатов (BeginInvoke () и EndInvoke ())
• · класса BackgroundWorker
• · TPL (Task Parallel Library)

Следующие конструкции также используют пул потоков, но делают это неявно, о чем важно знать и помнить:

• · WCF, Remoting, ASP.NET, ASMX Web Services
• · System.Timers.Timer и System.Threading.Timer
• · EAP (the event-based asynchronous pattern)
• · PLINQ

Полезно держать в голове следующие моменты:

• · Потокам из пула невозможно назначить имя
• · Потоки из пула всегда фоновые (background)
• · Блокировка потоков из пула может привести к запуску дополнительных потоков и падению производительности
• · Вы можете поменять приоритет потоку из пула, но он вернется в дефолтное значение (normal) после возвращения в пул

Синхронизация При построении многопоточного приложения необходимо гарантировать, что любая часть разделяемых данных защищена от возможности изменения их значений множеством потоков. Учитывая, что управляемая куча является одним из разделяемых потоками ресурсов, а все потоки в AppDomain имеют параллельный доступ к разделяемым данным приложения, очевидно, что доступ к таким общим данным необходимо синхронизировать. Это гарантирует, что в один момент времени доступ к определенному блоку кода получит лишь один поток (или указанное количество, в случае использования Семафора). Таким образом, мы можем гарантировать целостность данных, а также их актуальность в любой момент времени. Давайте рассмотрим возможные варианты синхронизации и частые проблемы. Говоря о синхронизации, обычно выделяют 4 вида:

• · Блокировка вызывающего кода
• · Конструкции, ограничивающие доступ к кускам кода
• · Сигнализирующие конструкции
• · Неблокирующая блокировка

Blocking.

Под блокировкой понимается ожидание одним потоком завершения другого или нахождение в режиме ожидания в течение некоего времени. Обычно реализуется при помощи методов класса Thread: Sleep () и Join (), метода EndInvoke () асинхронных делегатов или при помощи тасков (Task) и их механизмов ожидания. Следующие конструкции являются примерами плохого подхода к реализации ожидания:

while (!proceed);

while (DateTime.Now < nextStartTime);

Подобные конструкции требуют много ресурсов процессора, хотя не выполняют никакой полезной работы. В то же время ОС и CLR думают, что наш поток занят выполнением важных расчетов и выделяют для него необходимые ресурсы. Данного подхода следует всегда избегать. Похожим примером может быть следующая конструкция:

while (!proceed) Thread. Sleep (10);

Здесь вызывающий поток периодически засыпает на короткое время, но его достаточно для того, чтобы система могла переключить контексты и выполнять параллельно другие задачи. Данный подход гораздо лучше предыдущего, но все же не идеален. Основная проблема возникает в тот момент, когда необходимо изменять флаг proceed из разных потоков. Подобная конструкция будет эффективным решением в том случае, когда мы ожидаем, что условие в цикле будет удовлетворено через очень короткое время и повлечет за собой небольшое количество итераций. Если итераций много, то системе потребуется постоянно переключать контекст данного потока и тратить на это дополнительные ресурсы.

Locking.

Эксклюзивная блокировка применяется для того, чтобы удостовериться, что только один поток будет выполнять конкретный участок кода. Это необходимо для гарантирования актуальности данных в каждый момент времени. В .NET Framework существует довольно много механизмов, которые позволяют реализовать блокировку доступа к участкам кода, но мы рассмотрим только самые популярные. А заодно разберем наиболее частые ошибки, связанные с применением подобных конструкций.

Статические члены классов, которыми часто оперируют разработчики, всегда потоконебезопасны, и доступ к таким данным нужно обязательно синхронизировать. Отличием может быть только статический конструктор, так как CLR блокирует все обращения из сторонних потоков к статическим членам класса до тех пор, пока не завершит свою работу статический конструктор.

При использовании блокирования при помощи ключевого слова lock следует помнить о следующих правилах:

· необходимо избегать блокирования типов:

lock (typeof (object)) {…}.

Дело в том, что каждый тип хранится в единственном экземпляре в рамках одного домена и подобный подход может привести к взаимоблокировкам. Поэтому стоит избегать подобных конструкций.

· необходимо избегать блокирования объекта this:

lock (this) {…}.

Данный подход также может привести к взаимоблокировке.

· как объект синхронизации можно использовать дополнительное поле в конкретном классе:

lock (this.lockObject) {…}.

· нужно применять конструкцию Monitor. TryEnter (this.lockObject, 3000) когда вы сомневаетесь, и поток может быть заблокирован. Подобная конструкция позволит выйти из блокировки по истечении указанного интервала времени.

необходимо использовать класс Interlocked для атомарных операций вместо подобных конструкций:

lock (this.lockObject) { this. counter++; }.

Signaling.

Данный механизм позволяет потоку остановиться и ожидать до тех пор, пока он не получит извещение из другого потока о возможности продолжить работу.

.NET Framework предоставляет конструкции, которые могут выполнять простые операции без блокировки, остановки или ожидания других потоков. За счет отсутствия блокировок и переключения контекстов код будет работать быстрее, но при этом очень легко допустить ошибку, которая чревата труднонаходимыми проблемами. В конечном счете ваш код может стать даже медленнее, чем если бы вы применили распространенный подход с использованием lock. Одним из вариантов подобной синхронизации является применение так называемых барьеров памяти (Thread.MemoryBarrier ()), которые препятствуют оптимизациям, кешированию регистров CPU и перестановкам программных инструкций.

Другим подходом является использование ключевого слова volatile, которым помечаются необходимые поля класса. Оно заставляет компилятор генерировать барьеры памяти при каждом чтении и записи в переменную, помеченной volatile. Данный подход хорош в том случае, когда у вас один поток, или одни потоки только читают, а другие только записывают. Если же вам необходимо читать и изменять в одном потоке, то стоит воспользоваться оператором lock.

Обе перечисленные выше возможности довольно сложны для понимания, требуют четких знаний в области моделей памяти и оптимизаций на разных уровнях, поэтому используются довольно редко. Да и применять их нужно очень аккуратно и только тогда, когда вы понимаете, что делаете и зачем.

Самый простой и рекомендуемый подход для атомарных операций — применение класса Interlocked, о котором упоминалось выше. За кулисами также генерируются барьеры памяти, и нам не нужно заботиться о дополнительных блокировках. Данный класс имеет довольно много методов для атомарных операций, таких как увеличение, уменьшение, изменение, изменение со сравнением и т. д.

Collections.

Полезно знать, что в пространстве имен System.Collections.Concurrent определено довольно много потокобезопасных коллекций для разных задач. Самые распространенные: BlockingCollection, ConcurrentBag, ConcurrentDictionary, ConcurrentQueue ,.

ConcurrentStack .

В большинстве случаев нет смысла в реализации собственной подобной коллекции — намного проще и разумней использовать готовые протестированные классы.