7.2 KiB
Лабораторная работа 2. Многопоточный код (I/O-bound)
Время на работу: 2 пары. Зависимости: лаба 1.
Цель работы
Освоить потоки на задаче, где они реально дают ускорение — I/O-bound. К концу работы вы должны уметь объяснить, почему один и тот же механизм бесполезен для CPU-задач (лаба 3).
Теория
Что такое поток
Поток (thread) — независимая последовательность инструкций внутри одного процесса. Все потоки делят общую память: один и тот же список, словарь, глобальную переменную видно из любого потока. Это делает потоки лёгкими (создание ~десятки микросекунд, у процессов — миллисекунды) и опасными одновременно: два потока могут менять одну переменную без ведома друг друга (лаба 5).
Почему потоки ускоряют I/O-bound, но не CPU-bound
Когда поток выполняет time.sleep, чтение сокета или диска, он отпускает
процессор — ОС переключает его на другой поток. Десять потоков, ждущих сеть,
«спят» одновременно, и суммарное время ≈ времени одного запроса.
Когда поток считает (x = a * b), он держит процессор, а в CPython — ещё и
GIL (Global Interpreter Lock): глобальный замок, разрешающий исполнять
байт-код Python только одному потоку процесса. Поэтому CPU-код потоками не
ускоряется в принципе (подробно — лаба 3).
Правило: потоки — для ожидания, процессы — для вычислений.
threading vs concurrent.futures
threading.Thread — ручное управление: создать, start(), join(),
самому разложить данные и собрать результаты. Полезно понять один раз.
concurrent.futures.ThreadPoolExecutor — пул потоков и высокоуровневый
интерфейс:
with ThreadPoolExecutor(max_workers=p) as pool:
results = list(pool.map(io_fetch, items)) # порядок входа сохранён
futures = [pool.submit(io_fetch, i) for i in items] # или Future-объекты
submit возвращает Future — «обещание» результата: .result() блокирует
до готовности, .done() проверяет готовность, можно навесить колбэк
add_done_callback. pool.map — как встроенный map, но параллельный;
результаты приходят в порядке входа.
В работе используются оба способа: Thread — чтобы понять механику,
ThreadPoolExecutor — как рабочий инструмент.
Задание
I/O-нагрузка та же, что в лабе 1 (io_fetch из common.tasks: имитация
запроса задержкой 0.05 c). Параметры items — из вашего варианта.
Заполните solution.py:
run_io_threads_manual(items, delay, p)— разбитьrange(items)наpкусков, на каждый кусок — свойthreading.Thread. Каждый поток кладёт результаты в свой список (общая структура без синхронизации — пока избегаем). Собрать куски по порядку.run_io_threads_pool(items, delay, p)— то же черезThreadPoolExecutor(max_workers=p)иpool.map.main()— замерить T(1), T(2), T(4) (и T(8), если есть в варианте) обоими способами; построить таблицу и график ускорения (common.benchmark).
Ожидаемые результаты (проверьте себя)
- T(1) ≈ items × delay (например 24 × 0.05 = 1.2 c);
- T(4) ≈ items × delay / 4 (если items кратно 4) — почти идеальное ускорение;
- ручные потоки и пул дают примерно одинаковое время.
Если T(4) ≈ T(1) — вы где-то синхронизируете лишний раз или запускаете
потоки по очереди (проверьте: start() всех потоков должен быть до
первого join()).
Дополнительно (по желанию, +1 балл)
ThreadPoolExecutor+submit/as_completed: выводить номер завершившегося запроса по мере готовности — увидите, что порядок завершения не совпадает с порядком запуска.
Контрольные вопросы
- Почему
time.sleepв 4 потоках занимает те же 0.05 c, а не 0.2 c? - Чем
Futureотличается от готового результата? Что делает.result()? - Почему потоки имеют общую память и чем это опасно?
- Что произойдёт с вашей I/O-задачей, если
max_workers=100? Почему рост останавливается?
Что сдаётся
solution.py + отчёт: таблица T(p) обоих способов, график S(p), анализ
(совпало ли с ожидаемым, где видны накладные расходы на создание потоков),
ответы на контрольные вопросы.
Критерии оценки
| Пункт | Баллы |
|---|---|
| Ручные потоки: результаты корректны и упорядочены | 2 |
| Пул потоков: результаты корректны | 2 |
| Замеры T(1/2/4), ускорение ≈ p на I/O-части | 2 |
| График и анализ в отчёте | 2 |
| Ответы на контрольные вопросы | 2 |
Типичные ошибки
start()и сразуjoin()в одном цикле — потоки выполнятся по очереди.- Общий список без блокировки (
results.append(...)из многих потоков) — в этой лабе «повезёт» (append атомарен из-за GIL), но полагаться на это нельзя — в лабе 5 это сломают демонстративно. - Забыли
args=(chunk,)вThread— функция вызвалась в главном потоке.