C++ mit .NET

Bernd Marquardt

Microsoft Regional Director Germany

Software & Consulting

berndm@go-sky.de

http://www.go-sky.de

Hinweis

Ja, es sind viele Slides…

…aber einige Slides sind nur der Vollständigkeit halber dabei und werden im Vortrag selbst sehr schnell erledigt!

Wir werden nicht alle Demo‘s hier testen…

…aber in einer „stillen Stunde“ können Sie die Demo‘s selbst ausprobieren

Agenda

Einführung C++ Managed Extensions für .NET

• Stand der Dinge

• Anwendung: Wrapper-Klassen

• Performance

C++ in Visual Studio 2005 (Whidbey)

• CLI

• Generische Typen, STL und …

• OpenMP

Zusammenfassung

20032003

20052005

Einführung

C und C++ sind wichtige Programmiersprachen unter Windows

• Bis 1992 in „reinem“ C und SDK

• Danach mit C++ und MFC

Windows „begann“ mit C

• VB kann erst später

Bei Microsoft wird auch heute noch FAST alles mit C++ codiert

• Das soll aber in Zukunft anders werden

Einführung

Vorteile von C++:

• Performant

• Volle Kontrolle, man kann alles machen

• Wenig zu tippen

• Es geht immer alles, was möglich ist

Nachteile von C++:

• Schwer zu lernen

• Viele Fallstricke und „Pumpen, vor die man laufen kann“

Einführung

Die „Pumpen“ von C und C++

• Zeiger

• Makros – das „Klammerproblem“

• new / delete

• switch / break

• Globale Variablen und Funktionen

• Variablen-Initialisierung

• …

C++ und .NET: Heute

C++ Managed Extensions

• Zugriff auf das .NET-Framework

Aufruf von unmanaged Code Wrapper-Klassen

• Wrappen von MFC-Klassen

C++ Man. Ext. für .NET

C++ Managed Extensions (VS 2002 und 2003):

• Code sieht nicht sehr schön aus

• Code ist schwer zu lesen

• Unterscheidung von „managed“ und „unmanaged“ Objekten ist schwierig

• Die _-Taste geht sehr schnell kaputt

• Managed Extensions sind dem C++ „aufgedrückt“ worden

• VS 2002: Kein Designer für Windows Forms mit man. C++ enthalten

IL und nativer Code

C:>CL.EXE /LD /clr cpptest.cpp

void ManagedFunc() {}

#pragma unmanagedvoid NativeFunc() {}#pragma managed

void AnotherManagedFunc() {}

cpptest.cpp

C:>ILDASM.EXE cpptest.dll

IL und nativer Code#pragma unmanagedvoid NativeFunc() {}#pragma managed

void ManagedFunc(){ NativeFunc(); }

Definition von .NET Typen

__gc class ManagedClass {};__gc struct ManagedClass2 {};__gc __interface ManagedInterface {};__delegate void ManagedDelegate();

referenzierende Typen

Wertetypen__value class ManagedValueType {};__value struct ManagedValueType2 {};__value enum ManagedEnum {};

Referenzierende Typen

Instanzierung durch expliziten __gc new Aufruf

Speicher wird auf dem "Managed Heap" angelegt

Garbage Collector gibt Speicher für Instanzen wieder frei

Variablen grundsätzlich Zeigertypen (__gc*) oder Referenztypen (__gc&)

• GC kontrolliert __gc* und __gc&

Wertetypen

Sind grundsätzlich immer in "etwas" enthalten…

• …als globale Variable in der Anwendungsdomäne

• …als lokale Variable im Stackframe

• …als Feld eines Typs in einer Instanz dieses Typs

Instanziierung und Lebenszeit an enthaltende Entität gebunden

• Die Lebenszeit also ist inkompatibel zur Lebenszeit von .NET-Objekten

Schnittstellen

__gc __interface I1 { void M1(); void M2();};

__gc class ManagedClass : public I1{public: void M1 {} void I1::M2() {}};

implizite Implementierungexplizite Implementierung

Enumeratoren

// C++ Managed Extensions

[System::Flags]

__value public enum ManagedEnum : short{ red = 1 << 0, // 1 yellow = 1 << 1, // 2 blue = 1 << 2 // 4};

Delegates

public __delegate void ADelegate();

ADelegate* pD1 = new ADelegate(pRefToClassXInstance, &ClassX::NonStaticMethod);pD1->Invoke();

ADelegate* pD2 = new ADelegate(0, &ClassX::StaticMethod);pD2->Invoke();

Methoden

using namespace System;using namespace System::Runtime::InteropServices;

public __gc __interface ITest{ void M1(Int32 n, String* ps); void M2(Int32* pn, String** ppstr); void M3([Out]Int32* pn, [Out] String** ppstr);};

using Systen;

public interface ITest{ void M1(Int32 n, String ps); void M2(ref Int32 pn, ref String ppstr); void M3(out Int32 pn, out Int32 ppstr);}

C++

C#

Eigenschaften

public __gc class Test{ int _age;public: __property int get_Age() { return _age; } __property void set_Age(int age) { _age = age; }}

public class Test{ private int _age;

public int Age { get {return _age;} set {_age = value;} }}

C++

C#

pTest->Age = pTest->Age + 1;

test.Age = test.Age + 1;

Indexer

using namespace System;using namespace System::Reflection;

public __gc __interface INameList{ __property String* get_Name(int i); __property void set_Name(int i, String* psNewVal);};

using System;

public interface INameList{ String this[int i] { get; set; }}

C++

C#

INameList nl = ...;string str = nl[0];

INameList* pNL = ...;string str = pNL->Name[0];

Exception Handling Syntax ist ähnlich wie im klassischen C++ Managed Exceptions sind Referenzen auf

beliebige .NET-Objekte• Basisklasse System::Exception

Verschiedene catch-Blöcke eines try-Blocks können sowohl C++-Exceptions als auch .NET- Exceptions behandeln• C++-Exceptions müssen vor .NET-Exceptions

behandelt werden Auslösen und Abfangen von C++ und .NET-

Exceptions in einer try-Anweisung ist zulässig

Win32 Structured Exception Handling (__try, __except) ist in Managed Code unzulässig

Exceptions

void ManagedFunc(int i) { try { ... } // C++ Exception catch (int i) { System::Console::WriteLine(i); } // nicht CLS kompatible .NET Exception catch (System::Exception* pE) { System::Console::WriteLine(pE->Message); } // CLS kompatible .NET Exception catch (System::Object* pE) { System::Console::WriteLine(pE); } __finally { ... Ressourcen hier freigeben ... }}

Determin. Finalisierung

C++-Klassen werden als lokale Variablen automatisch deterministisch finalisiert• Der Destruktor wird beim Verlassen des

Scope aufgerufen…

• …auch wenn der Scope durch eine Exception verlassen wird

Instanzen von .NET Klassen werden nicht automatisch deterministisch finalisiert• Die deterministische Finalisierung muss

manuell durch try/__finally-Blöcke realisiert werden

Determin. Finalisierung

In GC-Klasse kann ein Destruktor implementiert werden

• Überschreibt Object::Finalize und implementiert Methode __dtor

• Finalize wird von Garbage Collector aufgerufen, bevor Objekt zerstört wird

• __dtor wird vom delete-Operator aufgerufen

• __dtor ruft zuerst GC::SuppressFinalize und dann Finalize auf

Aufruf von unman. Code

Es gibt sehr viel Code in C und C++ Vieles davon kann man weiter verwenden Aufruf von unmanaged Code:

• [DllImportAttribute(…)] (geht mit allen .NET-Sprachen)• Daten werden automatisch konvertiert

• Achtung: Anwendung von Zeigern

• „It just works“-Methode (geht nur mit C++)• Einfach die Header-Dateien einfügen und API‘s

aufrufen

• Daten müssen konvertiert werden

C++ als .NET Sprache

Vorteile

• Ermöglicht das Mischen von MSIL-Code und nativem Code

• Aufruf nativer Funktionen im MSIL-Code ist:…viel einfacher

…viel schneller

…ohne Einschränkungen möglich

Nachteile

• „Kranke“ Syntax

Wrapper-Klassen Managed Wrapper-Klassen

umhüllen eine normale unmanaged C++-Klasse

Die Hüllklasse funktioniert wie ein Proxy

Die Hüllklasse hat die gleiche Funktionalität wie die C++-Klasse

Es wird immer ein „Klassenpaar“ erzeugt, bzw. zerstört

Beide Klassen können in einer Datei angelegt werden• Einfache Verwaltung

Wrapper-Klassen

Ein Objekt der Wrapper-Klasse kann unter .NET wie ein normales .NET-Objekt benutzt werden

Die Daten-Konvertierung wird ggf. in der Wrapper-Klasse implementiert

• Byte, int, long, short, float, double keine Konvertierung nötig

• String muss konvertiert werden• Achtung: ANSI oder UNICODE beachten

• Struct‘s müssen meistens angepasst werden• Es gibt dafür spezielle Attribute (z.B. FieldOffset)

Wrapper-Klassen

class CppClass { public: // Konstruktor CppClass() { …}

// Destruktor ~CppClass() { …}

// Methoden void native_f() { …} };

__gc class ManClass { public: // Konstruktor ManClass() { m_pC = new CppClass(); } // Freigabe ~ManClass() { delete m_pC; } // Methoden void managed_f() { m_pC->native_f(); } private: CppClass * m_pC; };

Wrapper-Klassen

Erzeugung einer man. C++-Klasse• Data Member in der Wrapper-Klasse: Zeiger vom

Typ der C++-Klasse

In der managed Klasse müssen die Konstruktoren nachgebildet werden

In der Dispose-Methode der managed Klasse die Instanz der unmanaged Klasse zerstören

ACHTUNG: Wrapper-Objekt steht unter der Kontrolle des Garbage Collectors

Alle public-Methoden der unmanaged Klasse in der managed Klasse implementieren

Wrapper-Klassen Destruktoren

• Sowohl den Destruktor als auch die Dispose-Methode implementieren• Wrapper-Klasse von IDisposable ableiten

• „Selbst-gesteuertes“ Zerstören des Objektes durch Dispose-Aufruf

• Dort Finalize() aufrufen

• GC::Supress::Finalize wird automatisch vor dem Finalize()-Aufruf getätigt

• Dispose-Aufruf vergessen: Garbage Collector schlägt mit dem Destruktor zu

Probleme mit Wrappern

Variable Parameteranzahl Daten-Marshaling Default Argumente Destruktoren (Garbage Collector) Properties Überladen von Operatoren• Wenn der Wrapper z.B. mit VB oder C#

genutzt werden soll, müssen die überladenen Methoden auch als “echte” Methode implementiert werden • C#: Operator-Overloading erlaubt

• VB: nicht erlaubt

Wrapper-Klassen

Wrapper sind eine einfache Möglichkeit, um existierende C++-Klassen weiter zu benutzen

• Innerhalb der unmanaged C++-Klassen ist alles erlaubt (z.B.: Multiple Inheritance)

Wertet die C++-Klassen auf, da sie nun aus allen .NET-Sprachen aufgerufen werden können

Performance beachten

• Kontext-Wechsel, Konvertierungen

MFC-Dialoge wrappen

Anwendung von Wrapper-Klassen

Frage: Kann man von alten monolitischen

MFC-Applikationen irgendetwas weiter verwenden (mit Hilfe von Wrappern)?

Analyse

In Dialogen steckt oft ähnlich viel Code wie im Hauptfenster

• Ausnahme: Applikationen mit vielen mathematischen Rechenalgorithmen

Dialoge sind aufwändig zu erstellen

• Platzierung der Controls (zeitaufwändig: Design)

• Programmierung (zeitaufwändig: Tests)

Es wäre gut, wenn man die Dialoge weiter verwenden könnte Wrapper-Klassen!!!

Der Migrationsweg (1)

Alle Dialoge in einer MFC-DLL ablegen

• CPP- und H-Dateien ins DLL-Projekt einfügen

• Resource.h hinzufügen (kopieren)

• RC-Datei aus Applikation mit Notepad editieren

• Nur Dialoge übernehmen

• Drag&Drop in der IDE klappt (manchmal) irgendwie nicht so ganz

Der Migrationsweg (2)

Für jeden Dialog eine Wrapper-Klasse generieren

• Automatische Erzeugung mit einem kleinen Tool (ist möglich)

• Unicode / ANSI auswählen

• Wrapper kann auch von Hand erzeugt werden

Manchmal muss die Typ-Konvertierung „von Hand“ implementiert werden

„#pragma managed“ und „#pragma unmanaged“ korrekt verwenden

Der Migrationsweg (3)

DLL Kompilieren

• „Use managed extensions“ auf „YES“ setzen

• MFC-Library STATISCH linken (WICHTIG)

Hauptfenster mit .NET erzeugen

• Referenz auf DLL anlegen

• Menü, Toolbar und Statuszeile (usw.) implemetieren

• Entsprechende Wrapper-Objekte aufrufen

• Übersetzen und testen

Der Migrationsweg (4)

Deutliche Zeiteinsparung beim Umstieg auf .NET

• Kein Programmieren und Testen der Dialoge

• Kein Neu-Design der Dialoge (das kann auch ein Nachteil sein! Design)

Wrapper evtl. mit Tool generieren

Performance

Ein Hauptgrund für C und C++:

• Performance

Auch unter .NET ist C++ sehr schnell

• Im Moment: Die schnellste .NET-Sprache

• Wichtig bei mathematischen Berechnungen (Algorithmen)

• Weniger wichtig bei User Interfaces, mehrschichtigen Datenbank-Applikationen• Flaschenhals hier: Datenbank und/oder

Netzwerk

Arithmetik (einfach)

((double) i + (double) j) * 2.5

VB 6.0 50.610 sek VC++ 6.0 5.860 sek

VC .NET unmng. 5.703 sek

VC .NET mng. 7.235 sek C# 8.563 sek VB .NET 9.250 sek

VS 6.0VS 6.0

VS .NETVS .NET

Asm.Asm.

CLRCLR

Arithmetik (kompliziert!)

(((double) i + (double) j) * 2.5) / (i + j + 1)

VB 6.0 80.313 sek VC++ 6.0 24.891 sek

VC .NET unmng. 24.890 sek

VC .NET mng. 24.850 sek C# 24.891 sek VB .NET 24.990 sek

VS 6.0VS 6.0

VS .NETVS .NET

Asm.Asm.

CLRCLR

Arithmetik (esotherisch!)

Fast Fourier Transformation• Sägezahn aus 65.536 Einzelwerten

• Daten-Array als lokale Variable

VC++ unmng. (lok. Array) 63 msek

VC++ mng. (lok. Array) 63 msek

Mathematische Algorithmen sind sehr schnell – Rechnenoperationen ohne Einschränkungen

Arithmetik (esotherisch!)

Fast Fourier Transformation• Sägezahn aus 1.048.576 Einzelwerten

• Daten-Array auf dem Heap (mit VC.NET unter Kontrolle des Garbage Collectors)

VC++ unmng. (nat. Heap) 2.250 sek VC++ managed (GC) 2.609 sek

Auch mit GC sind (fast so) schnelle Berechnungen möglich

String-Operationen

Anhängen von 100.000 Strings zu je 10 Zeichen (Unicode)

VB6, normaler String: 44.231 sek Einfacher MFC-String: 17.340 sek MFC-String mit Allokation: 0.046 sek C#, einfacher String: 87.820 sek C#, StringBuilder: 0.047 sek C++, char-Array, memcpy: 0.010 sek

Aufruf von unman. API‘s

Eine herkömmliche Windows-DLL kann von einer Applikation mit managed Code aufgerufen werden

Die Funktion erhält double-Wert und gibt einen int-Wert zurück

Die Funktion wird 10.000.000 mal aufgerufen

aus VC++ 6.0 1.500 sek aus C# 4.453 sek

Weitere Ergebnisse

Compilier-Geschwindigkeit des JIT-Compilers

Frage: Wieviel Zeit geht bei der „Laufzeit-Übersetzung“ des IL-Codes verloren?

JIT kompiliert ca. 5000 Zeilen IL-Code pro Sekunde (500 MHz Pentium III)

• Geschwindigkeit ist natürlich abhängig vom Code

Optimierung des Codes

Es gibt zwei „Stellen“, denen optimiert werden kann

• Im Sprach-Compiler

• Im JIT-Compiler• Zur Analyse des Maschinencodes Benutzung

von:

• DebugBreak();

Allgemeine Ergebnisse: Manches optimiert der Sprach-Compiler,

manches wird vom JIT-Compiler optimiert

Optimierung des Codes

d += (double)i1 + 7.5 * 11.2 / 2.5;

• Sprach-Compiler fasst zusammen

for-Schleifen mit wenigen Durchgängen

• JIT macht Loop-Unrolling for(i = 5; i < 5; i++)

• JIT beachtet die Schleife nicht d += 3 + a – a;

• JIT erzeugt keinen Code für „+ a - a“

....

Warum C++ unter .NET?

1. Performance 2. Volle Kontrolle 3. Es geht alles 4. Einfacher Zugriff auf „alten“

unmanaged Code

Compiler für 64-bit-Prozessoren verfügbar

C++ und .NET: Morgen

C++ in Visual Studio 2005 (Whidbey)

• Neue Features mit C++• Optimierungen

• C++/CLI – Common Language Infrastructure

• Generische Typen und Templates

• Multithreading mit OpenMP

C++: Neues in VS 2005

Neue Syntax • Elegant und einfach

• Natürlich

• Verifiable Code

• Keine __keywords

• Context-sensitive Keywords• Wirksam in einem bestimmten Kontext

• Spaced Keywords• Werden zusammen mit anderen Keywords

benutzt

Neue Syntax

Nachlesen in: C++/CLI Specification http://download.microsoft.com/download

/9/9/c/99c65bcd-ac66-482e-8dc1-0e14cd1670cd/C++%20CLI%20Candidate%20Base%20Draft.pdf

…schöne URL…

C++ Managed Extensionspublic __gc __sealed class Student{ private: double m_grade; String* m_name;

public: // Property implementation

__property double get_Grade() { return m_grade; } __property void set_Grade(double newGrade) { m_grade = newGrade); }

__property String* get_Name() { return m_name; } __property void set_Name(String* newName) { m_name = newName; }};

C++ / CLI morgenpublic ref class Student sealed{ private: double m_grade;

public: // Standard property syntax

property double Grade { double get() { return m_grade; } void set(double newGrade) { m_grade = newGrade; } }

// Trivial property syntax

property String^ Name;};

Klassen mit „Adjektiven“

Die Klassen erhalten Eigenschaften

class N { /**/ }; // Nativer Typ

ref class R { /**/ }; // CLR Referenz-Typ

value class V { /**/ }; // CLR Werte-Typ

interface class I { /**/ }; // CLR Interface-Klasse

enum class E { /**/ }; // CLR Aufzählungs-Typ

Instanzierung

Auf dem native Heap: new T• Früher: __nogc

Auf dem managed Heap: gcnew T• Früher: __gc

Auf dem Stack: T t

Objektzerstörung

Objekte im Garbage Collector• Nicht deterministische Auflösung

• Mit „gcnew“

• Man bekommt ein „Handle“ Objekte auf dem normalen Heap• Deterministische Auflösung (delete)

• Mit „new“

• Man bekommt einen Zeiger Objekte auf dem Stack• Deterministische Auflösung (Scope)

• Nur Deklaration

Zeiger und Referenzen

Zeiger bleiben Zeiger

• Mit ihren Vor- und Nachteilen

In VS 2005 gibt gcnew ein „Handle“ zurück

• Darstellung durch ein „^“ ( “hat”)

• Handles sind die Verbindung zu fertigen Objekten im managed Heap

• Keine Pointer-Arithmetik

• Keine Konvertierung nach void

• Tracking reference operator „%“

• Pinning Pointer: pin_ptr

Roadmap C++/CLI

C++/CLI soll standardisiert werden Oktober 2003: Task Group TG5

• ISO C++: WG21

Standardisierung: Ende 2004

Update nach C++/CLI

__gc class ref class __gc struct ref struct __value class value class __value struct value struct Default-Konstruktoren aus value classes

entfernen __interface class interface

class __interface struct interface

struct

Update nach C++/CLI

__abstract abstract (nach hinten) __sealed sealed (nach hinten) __property property __event event __value enum enum class __gc* ^ __pin pin_ptr new gcnew 0 oder null nullptr

Update nach C++/CLI

__gc[ ] array Alle Instanzen von __box entfernen „S“ vor den String-Konstanten

entfernen Explizite Deklaration von überladenen

Operatoren entfernen __typeof typeid< > __try_cast safe_cast• Namensraum stdcli::language

hinzufügen

Generische Typen

C++-Templates• Werden zur Übersetzungszeit expandiert

• Zur Laufzeit können keine neuen Spezialisierungen aufgebaut werden

• Die CLR weiss nichts über Templates

• Ein generischer Typ kann nicht Typ-Parameter eines Templates sein Compile-Time-Spezialisierung der Templates

• Explizite Spezialisierung erlaubt• Verhalten für einen speziellen Typ

• Partielle Spezialisierung erlaubt• Verhalten für spezielle Argumente

Generische Typen Generics• Werden zur Laufzeit vom JIT-Compiler

expandiert

• Generische Typen können von allen .NET-Sprachen benutzt werden, egal in welcher Sprache sie erstellt wurden

• In mehreren Assemblies möglich

• Der Typ-Parameter darf nicht als Basisklasse für den generischen Datentyp verwendet werden

• Default-Werte sind nicht erlaubt

• JITter kann zur Laufzeit in Abhängigkeit vom Typ-Parameter optimieren

Generische Typen

generic <typename T> // template <typename T>ref class GenType // ...{ // T entsprechend benutzen // ... };

void _tmain(){ GenType<typ>^ xxx = gcnew GenType<typ>;

// ...}

STL

STL kann nun auch mit dem .NET-Framework benutzt werden

• Ist optimiert, um mit managed Code und managed Daten zu arbeiten

Die gleichen Technologien, die bisher verwendet wurden, können nun mit der CLR benutzt werden

Interop

DLL-Aufrufe (P/Invoke) COM-Aufrufe (RCW und CCW) „It just works“ „Interop

Technologies“ Das gab es alles auch schon in VS 2003! Übrigens: .NET-Komponenten können auch aus

unmanaged Code aufgerufen werden

• Bestehende Applikation kann einfach erweitert werden

• Attribut: ClassInterface verwenden

Optimierungen

WPO

• Whole Program Optimization

Bessere Pentium 4-Unterstützung Bessere Optimierung beim Linken Profile Guided Optimization

• Ablauf-Szenarien werden beim Linken berücksichtigt

Optimierungen

Profile Guided Optimization (POGO)

Source Compilieren Object-Files

Object-Files

Link InstrumentedImage

Scenarios InstrumentedImage

OutputProfileData

Object-Files

ProfileData Link Optimized

Image

Optimierungen

POGO ermöglicht…

• Bessere Entscheidungen zum „Inlinen“ von Code

• Reorganisation von switch- und if-else-Konstrukten

• Codeblöcke können besser angeordnet werden• Weniger Sprünge, weniger Paging

• Codeteile können mit unterschiedlichen Optimierungsoptionen übersetzt werden

Security

In VS 2002: /GS-Schalter

• Überprüfung auf „Buffer Overrun“

In VS 2005:

• /GS ist standardmäßig eingeschaltet

• Check-Funktion wurde erweitert• Kopie der „angreifbaren“ Variablen wird

angelegt und ggf. benutzt

• Über 400 sichere neue Runtime-Funktionen• Unsichere Funktionen werden ersetzt

• Siehe „strsafe.h“

OpenMP

OpenMP ist eine einfache Möglichkeit für Multithreading

• Für Fortran (Intel)

• Für C++ (Intel, VS 2005)

Normales Multithreading:

• Klasse mit Methode

• ThreadStart-Objekt anlegen

• Thread-Objekt anlegen

• Thread-Methode starten

• Synchronisierung mit Join()

OpenMP

Normales Multithreading beinhaltet einen relativ großen Overhead

Insbesondere wenn Algorithmen parallelisiert werden sollen

In OpenMP:• Steuerung der Parallelisierung durch C++-

Pragma im Code

• Z.B.: #pragma omp parallel• Steueranweisung stehen direkt im Code

Mit nativem und mit managed Code Compiler-Schalter: /OPENMP

OpenMP

Es gibt unterschiedliche Arten der Parallelisierung:

• Parallelisierung von Schleifen

• Parallelisierung von Code-Regionen

Nicht zu vergessen:

• Synchronisierung

Und wie steht‘s mit der Performance?

Schleifen mit OpenMP

Schleifen werden auf mehrere Threads automatisch aufgeteilt

Anzahl kann angegeben werden oder ist vom System vorgegeben oder wird dynamisch ausgewählt

void saxpy(double z[], double a, double x[], double y, int n){#pragma omp parallel for for(int i = 0; i < n; i++) { z[i] = a * x[i] + y; }}

Schleifen mit OpenMP

Serielle Ausführung im Master-Thread

Serielle Ausführung im Master-Thread

Parallele Ausführung

Automatische Synchronisierung

Schleifen mit OpenMP

Das Verfahren kann auch zu Problemen führen:

void test(double x[], double z[], int n){#pragma omp parallel for for(int i = 1; i < n; i++) { z[i] = x[i] + z[i – 1]; // Fehler!!! }}

Schleifen mit OpenMP

Häufig braucht man „Reduktionen“

• Es gibt mehrere Threads mit eigenen z-Variablen, die dann zum Schluss zum Endergebnis addiert werden

double test(double x[], int n){ double z = 0.0;

#pragma omp parallel for reduction(+:z) for(int i = 1; i < n; i++) { z += x[i]; }

return z;}

Variablen und Scope

Wenn mehrere Threads erzeugt werden, gibt es zwei Variablen-Arten:

• private: Jeder Thread hat eine eigene Instanz

• shared: Es gibt nur eine Instanz für alle Threads

Laufvariablen von Schleifen sind automatisch „private“

Kann man steuern:

#pragma omp parallel for shared(a, b) private(i, j)

Code-Regionen

Codeteile können ebenfalls parallel laufen

Anzahl der Threads kann angegeben werden oder ist vom System vorgegeben

void test(){ #pragma omp parallel num_threads(4) { Console::WriteLine(„Hallo, TechTalk!“); }}

Synchronisierung

Ist fast immer irgendwo erforderlich, wenn mehrere Threads laufen

• barrier

• critical

• critical(name)

• atomic• Operatoren: + - ++ -- * / & ^ | << >>

• master

• flush

• Runtime-Lock

Synchronisierung kostet Zeit!!!

OpenMP-Library

Es gibt diverse Runtime-Methoden in der OpenMP-Bibliothek:

• Max. Anzahl der Threads setzen oder abfragen

• Anzahl der vorhandenen Prozessoren abfragen

• Rückgabe einer eindeutigen Thread-Nummer

• …

OpenMP

Das hört sich ja sehr einfach an… …es kann aber auch sehr kompliziert

werden• Das sprengt aber den Rahmen hier!

Vorsicht beim Programmieren mit mehreren Threads ist IMMERIMMER wichtig• Immer die Performance prüfen

• Immer die Ergebnisse prüfen OpenMP ist gut für Algorithmen OpenMP ist nicht gut für die

Parallelisierung von User Interfaces

OpenMP-Performance

ACHTUNG: Performance-Tests sind mit Alpha- oder Beta-Versionen immer etwas kritisch!!!

Trotzdem:

• Einige Versuche…

• …auf Single-Prozessor-Maschine (P4, 2.4 GHz, ohne HyperThreading)

• …auf Dual-Prozessor-Maschine (P3, 600 MHz)

OpenMP-Performance

Schleifen-Parallelisierung (Demo16)Innere Schleife Threads ZeitSingleZeitDual

20,000 4 2.844 sek 9.937 sek10,000 4 2.284 sek 6.047 sek 5,000 4 2.083 sek 4.047 sek 2,500 4 1.973 sek 3.010 sek

20,000 4 2.844 sek 9.937 sek20,000 3 2.583 sek 8.791 sek20,000 2 2.393 sek 5.953 sek20,000 1 0.751 sek 9.812 sek

20,000 Ohne 0.631 sek 9.988 sek

OpenMP-Performance

Schleife mit Reduktion (Demo17)Schleife Threads ZeitSingleZeitDual

10,000,000 10 2.494 sek 9.922 sek10,000,000 6 2.484 sek 9.906 sek10,000,000 4 2.493 sek 9.937 sek10,000,000 3 2.473 sek 9.921 sek10,000,000 2 2.463 sek 9.890 sek10,000,000 1 2.524 sek 16.219 sek

10,000,000 Ohne 2.444 sek 15.853 sek

OpenMP-Performance

Synchronisierung mit „atomic“ oder „critical“ (Demo18 und Demo19)

Sync.-Typ Threads ZeitSingleZeitDual

Atomic 4 7.210 sek 27.501 sekAtomic 2 7.200 sek 27.438 sekAtomic 1 7.130 sek 15.609 sek

Atomic Ohne 1.242 sek 7.828 sek

Critical 4 9.245 sek 77.047 sekCritical 2 9.998 sek 76.344 sekCritical 1 8.482 sek 18.422 sek

Critical Ohne 1.242 sek 7.828 sek

Zusammenfassung

C++ Managed Extensions sind HEUTEHEUTE mit Visual Studio 2003 NICHTNICHT das Teil der Wahl• Umständlich

• Schwer zu lesen Aber C++ UNDUND .NET kommen wieder• C++/CLI

• Einfachere Syntax

• Gut lesbar, weniger “__” • Das gesamte .NET-Framework wird unterstützt

In Visual Studio 2005• Viele neue Features• Optimierungen, OpenMP,…

Wichtig im 64-bit-Umfeld

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