Многопоточное программирование

2024/2025

Статус: Маго-лего

Кто читает: Департамент компьютерной инженерии

Когда читается: 1, 2 модуль

Охват аудитории: для своего кампуса

Язык: русский

Кредиты: 6

Контактные часы: 48

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

В ходе программы студенты научатся разрабатывать и перерабатывать многопоточные приложения на С++ на примере аутентичных задач, выполняемых разработчиками в реальной жизни. Студенты изучат виды многозадачности, будут понимать причины возникновения проблем при разработке многопоточных приложений и способы их решения, будут знать, как устроена модель памяти C++ многопоточных приложений, а также виды примитивов синхронизации. Обучающиеся получат навыки отладки многопоточных приложений, научатся оценивать производительность приложений, находить узкие места в работе многопоточных приложений с помощью различных инструментов и исправлять их.

Цель освоения дисциплины

В ходе обучения студенты изучат виды многозадачности, будут понимать причины возникновения проблем при разработке многопоточных приложений и способы их решения, будут знать, как устроена модель памяти C++ многопоточных приложений, а также виды примитивов синхронизации. Обучающиеся получат навыки отладки многопоточных приложений, научатся оценивать производительность приложений, находить узкие места в работе многопоточных приложений с помощью различных инструментов и исправлять их. В конце программы учащийся сможет разработать сервер инференса нейронных сетей.

Планируемые результаты обучения

Знать общие сведения о реализации сокетов в *nix подобных системах, методы их использования на примере обмена в составе модели OSI
Знать способы реализации чтения/записи в сокет (блокирующий, неблокирующий)
Уметь реализовывать простейшие сетевые асинхронные приложения на python
Уметь реализовывать блокирующий ввод/вывод на основе сокетов Беркли
Знает сведения об устройстве protobuf, видах сообщений, их представлении при передаче (в т.ч. сжатие) и при использовании.
Умеет писать .proto файлы, встраивать protobuf в сборку программы, использовать его в C++ и Python-коде
Умеет разрабатывать протоколы клиент-серверного взаимодействия
Знает общие сведения о возможностях *nix подобных систем для поддержки многопоточных приложений. Способы межпоточного взаимодействия.
Знает возможности стандартной библиотеки C++ для запуска и завершения потоков
Умеет использовать стандартную библиотеку C++ для многопоточной обработки данных
Знает режимы работы программ (системное и пользовательское время).
Знает виды примитивов синхронизации в *nix-подобных системах, способы их использования с помощью стандартной библиотеки C++
Умеет использовать профайлировку и инструментирование для оценки производительности приложений
Умеет использовать примитивы синхронизации стандартной библиотеки C++ для избежания гонок и упрощения многопоточного кода
Умеет использовать future-семантику для упрощения многопоточного кода
Умеет использовать thread sanitizer для поиска ошибок в многопоточном коде
Знает устройство *nix подобных систем в части поддержки асинхронного ввода/вывода
Умеет проектировать асинхронные приложения и использовать epoll для организации асинхронного ввода/вывода
Знает принцип работы кооперативной многоздачности (корутин), их виды
Умеет самостоятельно реализовывать stackfull-корутины
Умеет применять корутинные движки в реальных приложениях
Знает принцип создания новых процессов в *nix-подобных системах, прицнипы наследования данных от родительского процесса, CoW
Знает организацию межпроцессного взаимодействия - сигналы и shared memory
Умеет реализовывать межпроцессное взаимодействие для передачи задач в системе master/workers.
Знает принципы работы атомарных переменных.
Знает устройство кэша процессора и его взаимодействие с RAM. Общие сведения о модели памяти C++, отношение happends before

Содержание учебной дисциплины

Блокирующий ввод/вывод в Unix системах. Сокеты Беркли. async на питоне.
Стандартизация протоколов общения. Архитектурное ревью.
Ускорение обработки запросов с помощью многопоточного исполнения. Потоки и процессы на уровне ОС.
Профайлировка - sys и user time. Пул потоков. Примитивы синхронизации на уровне ОС и в си: мьютексы и CV
Future семантика и отладка многопоточного кода
Профайлирование - пример с “медленными” клиентами
Корутины: stackfull stackless. Корутинный движок
Корутины C++20 и boost::coroutines
Воркерная модель организации блокирующего i/o. Shared memory
Атомарные переменные и барьеры памяти

Элементы контроля

Коллоквиум 1
Коллоквиум 2
Проект часть 1
Проект часть 2
Экзамен

Промежуточная аттестация

2024/2025 2nd module
0.1 * Коллоквиум 1 + 0.1 * Коллоквиум 2 + 0.3 * Проект часть 1 + 0.3 * Проект часть 2 + 0.2 * Экзамен

Список литературы

Авторы

Романова Ирина Ивановна
Башун Владимир Владимирович

Программа дисциплины