Curs de pregatire Programare multi-thread în limbajul C++

Provocări și probleme de concurență

• Limitări hardware ale platformelor - fire hardware, conducte, coerența cache
• Concepte elementare legate de programarea multi-thread (corectitudinea programului multi-thread, viața, foametea, blocarea, cursa, atomicitatea, modele de coerență, taxonomia lui Flynn)
• Mecanisme disponibile în C++ pentru implementarea multi-thread și multi-proces
• Implementarea bibliotecii standard - elemente de la C++14 până în prezent (C++2a)
• Implementarea disponibilă în Boost - diferențe față de biblioteca standard

Procese și fire de execuție

• Aplicații multi-proces versus multi-thread
• Sistemul de operare și firele de execuție (scurtă trecere în revistă a implementărilor disponibile)
• Mecanisme de sincronizare a proceselor și firelor de execuție
• Implementarea structurală a sincronizării
• Specificul implementării multi-thread în abordarea orientată pe obiecte (rolul modelului RAII)

Modelul de memorie în limbajul C++

• Obiecte și locații în memorie
• Programarea operațiilor și forțarea lor
• Relații: sincronizare, precedență, ordonare a operațiilor pentru acțiuni atomice, secvențe de eliberare
• Bariere de memorie
• Operații atomice

Gestionarea firelor de execuție în standardul C++14 și versiuni mai noi

• Clasa std::thread și lansarea firelor de execuție
• Identificarea firului de execuție
• Atasarea și detașarea firului de execuție
• Fire de execuție și containere standard
• Gestionarea excepțiilor în firele de execuție C++14

Excludere mutuală și secțiuni critice

• Reguli simple de excludere mutuală
• Concepte (tipuri) de obiecte de blocare disponibile
• Introducere rapidă în gestionarea timpului în C++14 (biblioteca chrono)
• Clasele std::mutex, std::timed_mutex, std::shared_mutex și derivate
• Modelul RAII în gestionarea blocurilor (std::lock_guard, std::unique_lock)
• Blocări dependente și amânate (std::lock)
• Proprietatea și coproprietatea blocurilor și firelor de execuție
• Problema cititor-scriitor
• Inițializare unică
• Memorie locală (privată) a firului de execuție (std::thread_local)

Blocări și sincronizare a firelor de execuție

• Operații pe semafoare
• Blocări recursive
• Blocări cu nivel de blocare definit
• Variabile de decizie și colaborarea cu blocarea
• Implementarea barierelor active și pasive (Idle Waits, Busy Waits)
• Reluarea acțiunii firelor de execuție
• Comunicarea între fire de execuție (modelul Actor și CSP)

Sarcini asincrone

• Evenimente asincrone și gestionarea lor
• Viitoare (future)
• Promisiuni (promise)
• Sarcini pregătite (packaged_task)

Tipuri atomice

• Tipuri atomice standard
• Steag atomic universal (std::atomic_flag)
• Șablonul clasei "std::atomic<T>" și specializările sale
• Funcții utilitare (lente) ale tipurilor std::atomic

Specificul proiectării API-urilor multi-thread

• Proiectarea structurilor folosind blocări - blocări cu granulație grosieră și fină
• Performanța codului concurent - tehnici de estimare și măsurare
• Partiționarea datelor
• Scalabilitatea soluțiilor
• Gestionarea erorilor și a situațiilor excepționale în arhitectura aplicațiilor

Testarea și depanarea aplicațiilor multi-thread

• Revizuirea codului din perspectiva operațiilor multi-thread
• Specificul testării aplicațiilor multi-thread
• Teste unitare
• Creșterea probabilității situațiilor de criză pentru teste
• Metode formale de testare a aplicațiilor multi-thread
• Modele de arhitectură a aplicațiilor multi-thread și testarea și depanarea (revizuire)

Gestionarea avansată a firelor de execuție

• Fire de execuție dependente (modelul Saga)
• Evitarea concurenței în accesul la date
• Oprire și întrerupere controlată a firului de execuție
• Întreruperea apelurilor de blocare
• Gestionarea întreruperilor
• Furtul sarcinilor
• Întreruperea sarcinilor în timpul finalizării aplicației

Modele de proiectare multi-thread

• Tipuri și scopul modelelor multi-thread
• Domeniul de aplicare al modelelor
• Pool de fire de execuție (Thread Pool)
• Modelul obiectului activ (Active Object)
• Coadă sigură pentru fire de execuție (Thread Safe Queue)
• Modelul producător-consumator (Producer Consumer)
• Modelul monitor (Monitor)
• Securitatea multi-thread a modelelor GoF