Vvmebel.com

Новости с мира ПК
62 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Потоки в программировании

Поток (программирование)

Поток ( _en. stream) — абстрактная последовательность инструкций или данных вообще, привязанная к соответствующему дескриптору (может быть представлен именем потока).

Потоки являются удобным унифицированным программным интерфейсом для чтения или записи файлов (в том числе специальных, в частности связанных с устройством), сокетов и передачи данных между процессами.

Поддержка потоков включена в большинство языков программирования и едва ли не во все современные (на 2008 год) операционные системы.

При запуске процесса ему предоставляются предопределённые стандартные потоки.

Возможность перенаправления потоков позволяет связывать различные программы, и придаёт системе гибкость, являющуюся частью философии Unix.

Поток данных в программировании

Абстракция потока особенно важна в языке программирования Си, где он представляет из себя источник ввода и/или вывода данных, обычно байтов, связанный с файлом, устройством либо другим процессом. Работа с потоками перенесена во многие другие языки.

Поток данных в операционных системах

Командная оболочка UNIX интенсивно использует абстракцию потока для совместного выполнения нескольких утилит.

См. также

* Стандартные потоки
* Враппер

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое «Поток (программирование)» в других словарях:

Поток выполнения — Для термина «Поток» см. другие значения. Процесс с двумя потоками выполнения на одном процессоре Поток выполнения (анг … Википедия

Поток минимальной стоимости — Задача о потоке минимальной стоимости состоит в нахождении самого дешёвого способа передачи определённого количества потока через транспортную сеть. Содержание 1 Определения 2 Отношение к другим задачам … Википедия

Поток POSIX — POSIX Threads стандарт потоков (нитей) выполнения, определяющий API для создания и управления ими. Библиотеки, реализующие этот стандарт (и функции этого стандарта), обычно называются Pthreads (функции имеют приставку «pthread »). Хотя наиболее… … Википедия

Линейное программирование — Линейное программирование математическая дисциплина, посвящённая теории и методам решения экстремальных задач на множествах мерного векторного пространства, задаваемых системами линейных уравнений и неравенств. Линейное программирование… … Википедия

Класс (программирование) — У этого термина существуют и другие значения, см. Класс. Класс в программировании набор методов и функций. Другие абстрактные типы данных метаклассы, интерфейсы, структуры, перечисления характеризуются какими то своими, другими… … Википедия

Объектно-ориентированное программирование — Эта статья во многом или полностью опирается на неавторитетные источники. Информация из таких источников не соответствует требованию проверяемости представленной информации, и такие ссылки не показывают значимость темы статьи. Статью можно… … Википедия

Событийно-ориентированное программирование — Парадигмы программирования Агентно ориентированная Компонентно ориентированная Конкатенативная Декларативная (контрастирует с Императивной) Ограничениями Функциональная Потоком данных Таблично ориентированная (электронные таблицы) Реактивная … Википедия

Реактивное программирование — Парадигмы программирования Агентно ориентированная Компонентно ориентированная Конкатенативная Декларативная (контрастирует с Императивной) Ограничениями Функциональная Потоком данных Таблично ориентированная (электронные таблицы) Реактивная … Википедия

Грамотное программирование — Стиль этой статьи неэнциклопедичен или нарушает нормы русского языка. Статью следует исправить согласно стилистическим правилам Википедии … Википедия

Парное программирование — техника программирования, при которой весь исходный код создаётся парами людей, программирующих одну задачу, сидя за одним рабочим местом. Один программист управляет компьютером и, в основном, думает над кодированием в деталях. Другой программист … Википедия

Программирование на C, C# и Java

Уроки программирования, алгоритмы, статьи, исходники, примеры программ и полезные советы

ОСТОРОЖНО МОШЕННИКИ! В последнее время в социальных сетях участились случаи предложения помощи в написании программ от лиц, прикрывающихся сайтом vscode.ru. Мы никогда не пишем первыми и не размещаем никакие материалы в посторонних группах ВК. Для связи с нами используйте исключительно эти контакты: vscoderu@yandex.ru, https://vk.com/vscode

Потоки в C# для начинающих: разбор, реализация, примеры

В данной статье мы расскажем, что такое потоки в C#, приоритеты потоков и их типы, покажем, как работать с потоками и как ими управлять, создадим несколько наглядных примеров, объясняющих их работу.

Что такое потоки в C#

Если говорить простым языком, то поток – это некая независимая последовательность инструкций для выполнения того или иного действия в программе. В одном конкретном потоке выполняется одна конкретная последовательность действий.
Совокупность таких потоков, выполняемых в программе параллельно называется многопоточностью программы.

Следует также запомнить, что в действительности потоки выполняются всё-таки не совсем параллельно. Дело в том, что процессор физически не может обрабатывать параллельно несколько инструкций или процессов. Однако его вычислительной мощи хватает настолько, что он может выполнять все операции по небольшому фрагменту по очереди, отводя на каждый такой фрагмент по очень маленькому кусочку времени, настолько, что кажется, будто все процессы в компьютере выполняются параллельно.

Точно такая же ситуация происходит и с потоками. Если в программе имеется 3 потока, то сначала выполняется кусочек кода из одного потока, потом кусочек кода из другого, затем – из третьего, после чего процессор снова переходит к какому-либо из двух других потоков. Выбор, какой поток необходимо назначить для выполнения в данный момент остаётся за процессором. Происходит это в доли миллисекунд, поэтому происходит ощущение параллельной работы потоков.

Стандартно в проектах Visual Studio существует только один основной поток – в методе Main. Всё, что в нём выполняется – выполняется последовательно строка за строкой. Но при необходимости можно “распараллелить” выполняемые процессы при помощи потоков.

Для лучшего осознания можно представить следующий пример. Допустим, что наша программа и данные, которые в ней содержатся – это офис с различными предметами (папками, столами, стульями, ручками), а потоки – это работники данного офиса (изначально у нас только один работник, выполняющий всю работу), и каждый работник занимается теми делами, которые ему было сказано выполнять. Работники могут выполнять одинаковые задания, а могут и различные. В случае выполнения какой-либо одной задачи, несколько работников справятся быстрее, чем один.

Например, если один работник будет собирать шкаф час, то вдвоём они могут управиться уже за полчаса. Однако не стоит переусердствовать в количестве работников (потоков). Математически, если нанять 4 работника, то шкаф соберется за 15 минут, если нанять 60 работников – за 1 минуту, а если нанять 3600, то вообще за секунду, но ведь на деле это неверно. Работники будут только мешать друг другу, толкаться, отнимать друг у друга детали, и процесс сборки шкафа может затянуться очень надолго.

Читать еще:  Основы объектно ориентированного программирования

Так же и с потоками. Чем больше потоков, тем выше вероятность, что они будут мешать друг другу выполнять свою работу. Например, если заставить работать огромное количество потоков с одними и теми же данными, потокам придётся выстраиваться в очередь для их обработки (например, если тем же 3600 рабочим дать какое-либо письменное задание, но предоставить им для этого дела всего одну ручку, то работникам, естественно, придётся становиться друг за другом в очередь за ручкой, чтобы после её получения выполнить поставленную задачу. Времени это займёт довольно много).

Итог: потоки надо распределять с умом и исключительно в случаях, когда это действительно необходимо для ускорения работы программы либо для повышения производительности.

Язык C# имеет встроенную поддержку многопоточности, а среда .NET Framework предоставляет сразу несколько классов для работы с потоками, что в купе очень помогает гибко и правильно реализовывать и настраивать многопоточность в проектах.

В среде .NET Framework существует два типа потоков: основной и фоновый (вспомогательный). В целом отличие между ними одно – если первым завершится основной поток, то фоновые потоки в его процессе будут также принудительно остановлены, если же первым завершится фоновый поток, то это не повлияет на остановку основного потока – тот будет продолжать функционировать до тех пор, пока не выполнит всю работу и самостоятельно не остановится. Обычно при создании потока ему по-умолчанию присваивается основной тип. О том, как узнать, к какой разновидности относится тот или иной поток, как придать потоку нужный тип, что такое приоритеты и как их устанавливать, и как в целом работать с потоками в C# мы поговорим ниже.

Реализация потоков в C#

Как создавать потоки в C#

Перво-наперво для работы с потоками в C# необходимо подключить специальную директиву:

Потоки и файлы

Перед тем как начать изучение файловой системы языка С, необходимо уяснить, в чем разница между потоками и файлами. В системе ввода/вывода С для программ поддерживается единый интерфейс, не зависящий от того, к какому конкретному устройству осуществляется доступ. То есть в этой системе между программой и устройством находится нечто более общее, чем само устройство. Такое обобщенное устройство ввода или вывода (устройство более высокого уровня абстракции) называется потоком, в то время как конкретное устройство называется файлом. (Впрочем, файл — тоже понятие абстрактное.) Очень важно понимать, каким образом происходит взаимодействие потоков и файлов.

Потоки

Файловая система языка С предназначена для работы с самыми разными устройствами, в том числе терминалами, дисководами и накопителями на магнитной ленте. Даже если какое-то устройство сильно отличается от других, буферизованная файловая система все равно представит его в виде логического устройства, которое называется потоком. Все потоки ведут себя похожим образом. И так как они в основном не зависят от физических устройств, то та же функция, которая выполняет запись в дисковый файл, может ту же операцию выполнять и на другом устройстве, например, на консоли. Потоки бывают двух видов: текстовые и двоичные.

Текстовые потоки

Текстовый поток — это последовательность символов. В стандарте С считается, что текстовый поток организован в виде строк, каждая из которых заканчивается символом новой строки. Однако в конце последней строки этот символ не является обязательным. В текстовом потоке по требованию базовой среды могут происходить определенные преобразования символов. Например, символ новой строки может быть заменен парой символов — возврата каретки и перевода строки. Поэтому может и не быть однозначного соответствия между символами, которые пишутся (читаются), и теми, которые хранятся во внешнем устройстве. Кроме того, количество тех символов, которые пишутся (читаются), и тех, которые хранятся во внешнем устройстве, может также не совпадать из-за возможных преобразований.

Двоичные потоки

Двоичный поток — это последовательность байтов, которая взаимно однозначно соответствует байтам на внешнем устройстве, причем никакого преобразования символов не происходит. Кроме того, количество тех байтов, которые пишутся (читаются), и тех, которые хранятся на внешнем устройстве, одинаково. Однако в конце двоичного потока может добавляться определяемое приложением количество нулевых байтов. Такие нулевые байты, например, могут использоваться для заполнения свободного места в блоке памяти незначащей информацией, чтобы она в точности заполнила сектор на диске.

Файлы

В языке С файлом может быть все что угодно, начиная с дискового файла и заканчивая терминалом или принтером. Поток связывают с определенным файлом, выполняя операцию открытия. Как только файл открыт, можно проводить обмен информацией между ним и программой.

Но не у всех файлов одинаковые возможности. Например, к дисковому файлу прямой доступ возможен, в то время как к некоторым принтерам — нет. Таким образом, мы пришли к одному важному принципу, относящемуся к системе ввода/вывода языка С: все потоки одинаковы, а файлы — нет.

Если файл может поддерживать запросы на местоположение (указатель текущей позиции), то при открытии такого файла указатель текущей позиции в файле устанавливается в начало. При чтении из файла (или записи в него) каждого символа указатель текущей позиции увеличивается, обеспечивая тем самым продвижение по файлу.

Файл отсоединяется от определенного потока (т.е. разрывается связь между файлом и потоком) с помощью операции закрытия. При закрытии файла, открытого с целью вывода, содержимое (если оно есть) связанного с ним потока записывается на внешнее устройство. Этот процесс, который обычно называют дозаписью [1] потока, гарантирует, что никакая информация случайно не останется в буфере диска. Если программа завершает работу нормально, т.е. либо main() возвращает управление операционной системе, либо вызывается exit() , то все файлы закрываются автоматически. В случае аварийного завершения работы программы, например, в случае краха или завершения путем вызова abort() , файлы не закрываются.

У каждого потока, связанного с файлом, имеется управляющая структура, содержащая информацию о файле; она имеет тип FILE . В этом блоке управления файлом [2] никогда ничего не меняйте [3] .

Если вы новичок в программировании, то разграничение потоков и файлов может показаться излишним или даже «заумным». Однако надо помнить, что основная цель такого разграничения — это обеспечить единый интерфейс. Для выполнения всех операций ввода/вывода следует использовать только понятия потоков и применять всего лишь одну файловую систему. Ввод или вывод от каждого устройства автоматически преобразуется системой ввода/вывода в легко управляемый поток.

Читать еще:  Когда был разработан язык программирования бейсик

[1] Или принудительным освобождением (содержимого) буфера.

[2] Блок управления файлом — небольшой блок памяти, временно выделенный операционной системой для хранения информации о файле, который был открыт для использования. Блок управления файлом обычно содержит информацию об идентификаторе файла, его расположении на диске и указателе текущей позиции в файле.

[3] Если, конечно, вы не разрабатываете систему ввода-вывода. Содержание | >>

Урок №207. Потоки ввода и вывода

Обновл. 12 Янв 2020 |

Функционал потоков ввода/вывода не определён как часть языка C++, а предоставляется Стандартной библиотекой C++ (и, следовательно, находится в пространстве имён std). В предыдущих уроках мы подключали заголовочный файл библиотеки iostream и использовали объекты cin и cout для простого ввода/вывода данных. В этом уроке мы рассмотрим библиотеку iostream детальнее.

Библиотека iostream

При подключении заголовочного файла iostream, мы получаем доступ ко всей иерархии классов библиотеки iostream, отвечающих за функционал ввода/вывода данных (включая класс, который называется iostream). Иерархия этих классов выглядит примерно следующим образом:

Первое, что вы можете заметить в этой иерархии — множественное наследование (то, что на самом деле не рекомендуется использовать). Тем не менее, библиотека iostream была разработана и тщательно протестирована соответствующим образом, дабы избежать типичных ошибок, которые возникают при работе с множественным наследованием, поэтому вы можете использовать эту библиотеку не боясь.

Потоки в С++

Второе, что вы могли бы заметить — это частое использование слова «stream» (т.е. «поток»). По сути, ввод/вывод в C++ реализован с помощью потоков. Абстрактно, поток — это последовательность символов, к которой можно получить доступ. Со временем поток может производить или потреблять потенциально неограниченные объёмы данных.

Мы будем иметь дело с двумя типами потоков. Поток ввода (или ещё «входной поток») используется для хранения данных, полученных от источника данных: клавиатуры, файла, сети и т.д. Например, пользователь может нажать клавишу на клавиатуре в то время, когда программа не ожидает ввода. Вместо игнорирования нажатия клавиши, данные помещаются во входной поток, где затем ожидают ответа от программы.

И наоборот, поток вывода (или ещё «выходной поток») используется для хранения данных, предоставляемых конкретному потребителю данных: монитору, файлу, принтеру и т.д. При записи данных на устройство вывода, это устройство может быть не готовым принять данные немедленно — например, принтер все ещё может прогреваться, когда программа уже записывает данные в выходной поток. Таким образом, данные будут находиться в потоке вывода до тех пор, пока принтер не начнёт их использовать.

Некоторые устройства, такие как файлы и сети, могут быть источниками как ввода, так и вывода данных.

Хорошая новость: Программисту не нужно знать детали взаимодействия потоков с разными устройствами и источниками данных, ему нужно только научиться взаимодействовать с этими потоками для чтения и записи данных.

Ввод/вывод в C++

Хотя класс ios является дочерним классу ios_base , очень часто именно этот класс будет наиболее родительским классом, с которым вы будете работать/взаимодействовать напрямую. Класс ios определяет кучу разных вещей, которые являются общими для потоков ввода/вывода.

Класс istream используется для работы с входными потоками. Оператор извлечения >> используется для извлечения значений из потока. Это имеет смысл: когда пользователь нажимает на клавишу клавиатуры, код этой клавиши помещается во входной поток. Затем программа извлекает это значение из потока и использует его.

Класс ostream используется для работы с выходными потоками. Оператор вставки istream , ostream и iostream (соответственно). В большинстве случаев вы не будете работать с ними напрямую.

Стандартные потоки в C++

Стандартный поток — это предварительно подключенный поток, который предоставляется программе её окружением. C++ поставляется с 4-мя предварительно определёнными стандартными объектами потоков, которые вы можете использовать (первые три вы уже встречали):

cin — класс istream_withassign , связанный со стандартным вводом (обычно это клавиатура);

cout — класс ostream_withassign , связанный со стандартным выводом (обычно это монитор);

cerr — класс ostream_withassign , связанный со стандартной ошибкой (обычно это монитор), обеспечивающий небуферизованный вывод;

clog — класс ostream_withassign , связанный со стандартной ошибкой (обычно это монитор), обеспечивающий буферизованный вывод.

Небуферизованный вывод обычно обрабатывается сразу же, тогда как буферизованный вывод обычно сохраняется и выводится как блок. Поскольку clog используется редко, то его обычно игнорируют.

Пример на практике

Вот пример использования ввода/вывода данных со стандартными потоками:

Часть 9. Процессы и потоки

Серия контента:

Этот контент является частью # из серии # статей: Программирование на Python

Этот контент является частью серии: Программирование на Python

Следите за выходом новых статей этой серии.

С появлением многоядерных процессоров стала общеупотребительной практика распространять нагрузку на все доступные ядра. Существует два основных подхода в распределении нагрузки: использование процессов и потоков.

Использование нескольких процессов фактически означает использование нескольких программ, которые выполняются независимо друг от друга. Программно это решается с помощью системных вызовов exec и fork. Такой подход создает большие неудобства в управлении обмена данными между этими программами.

В качестве альтернативы существует другой подход – создание многопоточных программ. Обмен данными между потоками существенно упрощается. Но управление такими программами усложняется, и вся ответственность ложится на программиста.

Сегодня мы рассмотрим следующие темы.

  • Как работают процессы.
  • Как работают потоки в питоне.
  • Создание потока.
  • Очереди (Queue).
  • Блокировки (Lock).

1. Как работают процессы

В питоне есть стандартный модуль subprocess, который упрощает управление другими программами, передавая им опции командной строки и организуя обмен данными через каналы (pipe). Мы рассмотрим пример, в котором пользователь запускает программу из командной строки, которая в свою очередь запустит несколько дочерних программ. В данном примере два скрипта – рarent.py и child.py. Запускается parent.py. Child.py выступает в роли аргумента command, который передается в запускаемый процесс. У этого процесса есть стандартный вход, куда мы передаем два аргумента – поисковое слово и имя файла. Мы запустим два экземпляра программы child.py, каждый экземпляр будет искать слово word в своем файле – это будут файлы исходников самих программ. Запись на стандартный вход осуществляет модуль subprocess. Каждый процесс пишет результат своего поиска в консоль. В главном процессе мы ждем, пока все child не закончат свою работу.

Читать еще:  Математические функции в программировании

2. Как работают потоки в питоне

Если нужно, чтобы ваше приложение выполняло несколько задач в одно и то же время, то можете воспользоваться потоками (threads). Потоки позволяют приложениям выполнять в одно и то же время множество задач. Многопоточность (multi-threading) важна во множестве приложений, от примитивных серверов до современных сложных и ресурсоёмких игр.

Когда в одной программе работают несколько потоков, возникает проблема разграничения доступа потоков к общим данным. Предположим, что есть два потока, имеющих доступ к общему списку. Первый поток может делать итерацию по этому списку:

а второй в этот момент начнет удалять значения из этого списка. Тут может произойти все что угодно: программа может упасть, или мы просто получим неверные данные.

Решением в этом случае является применение блокировки. При этом доступ к заблокированному списку будет иметь только один поток, второй будет ждать, пока блокировка не будет снята.

Применение блокировки порождает другую проблему – дедлок (deadlock) – мертвая блокировка. Пример дедлока: имеется два потока и два списка. Первый поток блокирует первый список, второй поток блокирует второй список. Первый поток изнутри первой блокировки пытается получить доступ к уже заблокированному второму списку, второй поток пытается проделать то же самое с первым списком. Получается неопределенная ситуация с бесконечным ожиданием. Эту ситуации легко описать, на практике все гораздо сложнее.

Вариантом решения проблемы дедлоков является политика определения очередности блокировок. Например, в предыдущем примере мы должны определить, что блокировка первого списка идет всегда первой, а уже потом идет блокировка второго списка.

Другая проблема с блокировками – в том, что несколько потоков могут одновременно ждать доступа к уже заблокированному ресурсу и при этом ничего не делать. Каждая питоновская программа всегда имеет главный управляющий поток.

Питоновская реализация многопоточности ограниченная. Интерпретатор питона использует внутренний глобальный блокировщик (GIL), который позволяет выполняться только одному потоку. Это сводит на нет преимущества многоядерной архитектуры процессоров. Для многопоточных приложений, которые работают в основном на дисковые операции чтения/записи, это не имеет особого значения, а для приложений, которые делят процессорное время между потоками, это является серьезным ограничением.

3. Создание потока

Для создания потоков мы будем использовать стандартный модуль threading. Есть два варианта создания потоков:

Следующий пример показывает, как к потоку приаттачить функцию через вызов функции:

Пример на создание потока через вызов класса: в конструкторе обязательно нужно вызвать конструктор базового класса. Для запуска потока нужно выполнить метод start() объекта-потока, что приведет к выполнению действий в методе run() :

Для управления потоками существуют методы:

start() – дает потоку жизнь.

run() –этот метод представляет действия, которые должны быть выполнены в потоке.

join([timeout]) – поток, который вызывает этот метод, приостанавливается, ожидая завершения потока, чей метод вызван. Параметр timeout (число с плавающей точкой) позволяет указать время ожидания (в секундах), по истечении которого приостановленный поток продолжает свою работу независимо от завершения потока, чей метод join был вызван. Вызывать join() некоторого потока можно много раз. Поток не может вызвать метод join() самого себя. Также нельзя ожидать завершения еще не запущенного потока.

getName() – возвращает имя потока.

setName(name) – присваивает потоку имя name .

isAlive() – возвращает истину, если поток работает (метод run() уже вызван).

isDaemon() – возвращает истину, если поток имеет признак демона.

setDaemon(daemonic) – устанавливает признак daemonic того, что поток является демоном.

activeCount() – возвращает количество активных в настоящий момент экземпляров класса Thread. Фактически это len(threading.enumerate()) .

currentThread() – возвращает текущий объект-поток, т.е. соответствующий потоку управления, который вызвал эту функцию.

enumerate() – возвращает список активных потоков.

4. Очереди (Queue)

В следующем примере будет решена аналогичная задача, что и в предыдущем примере с процессами: будут запущены три потока, каждый из которых будет работать по принципу утилиты grep . Имеется глобальный ресурс – work_queue – список файлов для поиска, который мы положим в очередь. Для этого будет использован объект Queue , который имеет встроенную блокировку:

5. Блокировки (Lock)

В следующем примере будут созданы три потока, каждый из которых будет считывать стартовую страницу по указанному Web-адресу. В примере имеется глобальный ресурс – список урлов – url_list – доступ к которому будет блокироваться с помощью блокировки threading.Lock() . Объект Lock имеет методы:

acquire([blocking=True]) – делает запрос на запирание замка. Если параметр blocking не указан или является истиной, то поток будет ожидать освобождения замка.

Если параметр не был задан, метод не возвратит значения.

Если blocking был задан и истинен, метод возвратит True (после успешного овладения замком).

Если блокировка не требуется (т.е. задан blocking=False ), метод вернет True , если замок не был заперт и им успешно овладел данный поток. В противном случае будет возвращено False .

release() – запрос на отпирание замка.

locked() – возвращает текущее состояние замка ( True – заперт, False – открыт).

Заключение

Параллельное программирование становится в последнее время жизненной необходимостью, которая диктуется темпами развития многоядерных процессоров. Одним из вариантов организации параллельного программирования является многопоточное программирование. В обычной программе действует всего один поток управления, а в многопоточной одновременно могут работать несколько потоков.

В многопоточной программе усложняется контроль за обменом данных между потоками. Глобальные ресурсы необходимо предохранять от одновременного доступа со стороны нескольких потоков, чтобы не нарушить их целостности. В этой статье были рассмотрены инструменты контроля глобальных данных – блокировки, очереди.

Приведенные примеры проверялись на версии питона 2.6.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector