Книга посвящена применению языка C++ для решения интересных, полезных и сложных задач программирования. Рассмотрены разработка сборщика мусора, пользовательского контейнера STL и панели управления потоком. Показано, как создать загрузчик файлов из Интернета, а также написать приложения для финансовых расчетов (вычисления платежей по ссуде, расчет суммы вложении и др.). Уделено внимание вопросам применения языка C++ для решения задач искусственного интеллекта. Приведен уникальный код интерпретатора Mini C++. Каждая глава книги сопровождается заданиями для самостоятельной работы.
Для программистов.

Книга посвящена применению языка C++ для решения интересных, полезных и сложных задач программирования. Рассмотрены разработка сборщика мусора, пользовательского контейнера STL и панели управления потоком. Показано, как создать загрузчик файлов из Интернета, а также написать приложения для финансовых расчетов (вычисления платежей по ссуде, расчет суммы вложений и др.). Уделено внимание вопросам применения языка C++ для решения задач искусственного интеллекта. Приведен уникальный код интерпретатора Mini C++. Каждая глава книги сопровождается заданиями для самостоятельной работы.

Данная статья предназначена для начинающих программистов, которые никогда не работали с потоками, и хотели бы узнать основы работы с ними. Желательно, чтоб читатель знал основы ООП и имел какой-нибудь опыт работы в Delphi.

Для начала давайте определимся, что под словом "поток" я подразумеваю именно Thread, который еще имеет название "нить". Нередко встречал на форумах мнения, что потоки не нужны вообще, любую программу можно написать так, что она будет замечательно работать и без них. Конечно, если не делать ничего серьёзней "Hello World" это так и есть, но если постепенно набирать опыт, рано или поздно любой начинающий программист упрётся в возможности "плоского" кода, возникнет необходимость распараллелить задачи. А некоторые задачи вообще нельзя реализовать без использования потоков, например работа с сокетами, COM-портом, длительное ожидание каких-либо событий, и т.д.

Всем известно, что Windows система многозадачная. Попросту говоря, это означает, что несколько программ могут работать одновременно под управлением ОС. Все мы открывали диспетчер задач и видели список процессов. Процесс - это экземпляр выполняемого приложения. На самом деле сам по себе он ничего не выполняет, он создаётся при запуске приложения, содержит в себе служебную информацию, через которую система с ним работает, так же ему выделяется необходимая память под код и данные. Для того, чтобы программа заработала, в нём создаётся поток. Любой процесс содержит в себе хотя бы один поток, и именно он отвечает за выполнение кода и получает на это процессорное время. Этим и достигается мнимая параллельность работы программ, или, как её еще называют, псевдопараллельность. Почему мнимая? Да потому, что реально процессор в каждый момент времени может выполнять только один участок кода. Windows раздаёт процессорное время всем потокам в системе по очереди, тем самым создаётся впечатление, что они работают одновременно. Реально работающие параллельно потоки могут быть только на машинах с двумя и более процессорами.

Для создания дополнительных потоков в Delphi существует базовый класс TThread, от него мы и будем наследоваться при реализации своих потоков. Для того, чтобы создать "скелет" нового класса, можно выбрать в меню File - New - Thread Object, Delphi создаст новый модуль с заготовкой этого класса. Я же для наглядности опишу его в модуле формы. Как видите, в этой заготовке добавлен один метод - Execute. Именно его нам и нужно переопределить, код внутри него и будет работать в отдельном потоке. И так, попробуем написать пример - запустим в потоке бесконечный цикл:

Код

TNewThread = class(TThread)
private
{ Private declarations }
protected
procedure Execute; override;
end;


var
Form1: TForm1;

implementation

{$R *.dfm}

{ TNewThread }

procedure TNewThread.Execute;
begin
while true do {ничего не делаем};
end;

procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);
var
NewThread: TNewThread;
begin
NewThread:=TNewThread.Create(true);
NewThread.FreeOnTerminate:=true;
NewThread.Priority:=tpLower;
NewThread.Resume;
end;

Запустите пример на выполнение и нажмите кнопку. Вроде ничего не происходит - форма не зависла, реагирует на перемещения. На самом деле это не так - откройте диспетчер задач и вы увидите, что процессор загружен по-полной. Сейчас в процессе вашего приложения работает два потока - один был создан изначально, при запуске приложения. Второй, который так грузит процессор - мы создали по нажатию кнопки. Итак, давайте разберём, что же означает код в Button1Click:

Код

NewThread:=TNewThread.Create(true);

тут мы создали экземпляр класса TNewThread. Конструктор Create имеет всего один параметр - CreateSuspended типа boolean, который указывает, запустить новый поток сразу после создания (если false), или дождаться команды (если true).

Код

New.FreeOnTerminate := true;

свойство FreeOnTerminate определяет, что поток после выполнения автоматически завершится, объект будет уничтожен, и нам не придётся его уничтожать вручную. В нашем примере это не имеет значения, так как сам по себе он никогда не завершится, но понадобится в следующих примерах.

Код

NewThread.Priority:=tpLower;

Свойство Priority, если вы еще не догадались из названия, устанавливает приоритет потока. Да да, каждый поток в системе имеет свой приоритет. Если процессорного времени не хватает, система начинает распределять его согласно приоритетам потоков. Свойство Priority может принимать следующие значения:

tpTimeCritical - критический

tpHighest - очень высокий

tpHigher - высокий

tpNormal - средний

tpLower - низкий

tpLowest - очень низкий

tpIdle - поток работает во время простоя системы

Ставить высокие приоритеты потокам не стоит, если этого не требует задача, так как это сильно нагружает систему.

Код

NewThread.Resume;

Ну и собственно, запуск потока.

Думаю, теперь вам понятно, как создаются потоки. Заметьте, ничего сложного. Но не всё так просто. Казалось бы - пишем любой код внутри метода Execute и всё, а нет, потоки имеют одно неприятное свойство - они ничего не знают друг о друге. И что такого? - спросите вы. А вот что: допустим, вы пытаетесь из другого потока изменить свойство какого-нибудь компонента на форме. Как известно, VCL однопоточна, весь код внутри приложения выполняется последовательно. Допустим, в процессе работы изменились какие-то данные внутри классов VCL, система отбирает время у основного потока, передаёт по кругу остальным потокам и возвращает обратно, при этом выполнение кода продолжается с того места, где приостановилось. Если мы из своего потока что-то меняем, к примеру, на форме, задействуется много механизмов внутри VCL (напомню, выполнение основного потока пока "приостановлено"), соответственно за это время успеют измениться какие-либо данные. И тут вдруг время снова отдаётся основному потоку, он спокойно продолжает своё выполнение, но данные уже изменены! К чему это может привести - предугадать нельзя. Вы можете проверить это тысячу раз, и ничего не произойдёт, а на тысяча первый программа рухнет. И это относится не только к взаимодействию дополнительных потоков с главным, но и к взаимодействию потоков между собой. Писать такие ненадёжные программы конечно нельзя.
Синхронизации потоков
Если вы создали шаблон класса автоматически, то, наверное, заметили комментарий, который дружелюбная Delphi поместила в новый модуль. Он гласит: "Methods and properties of objects in visual components can only be used in a method called using Synchronize". Это значит, что обращение к визуальным компонентам возможно только путём вызова процедуры Synchronize. Давайте рассмотрим пример, но теперь наш поток не будет разогревать процессор впустую, а будет делать что-нибудь полезное, к примеру, прокручивать ProgressBar на форме. В качестве параметра в процедуру Synchronize передаётся метод нашего потока, но сам он передаётся без параметров. Параметры можно передать, добавив поля нужного типа в описание нашего класса. У нас будет одно поле - тот самый прогресс:

Код

TNewThread = class(TThread)
private
Progress: integer;
procedure SetProgress;
protected
procedure Execute; override;
end;
...

procedure TNewThread.Execute;
var
i: integer;
begin
for i:=0 to 100 do
begin
sleep(50);
Progress:=i;
Synchronize(SetProgress);
end;
end;

procedure TNewThread.SetProgress;
begin
Form1.ProgressBar1.Position:=Progress;
end;

Вот теперь ProgressBar двигается, и это вполне безопасно. А безопасно вот почему: процедура Synchronize на время приостанавливает выполнение нашего потока, и передаёт управление главному потоку, т.е. SetProgress выполняется в главном потоке. Это нужно запомнить, потому что некоторые допускают ошибки, выполняя внутри Synchronize длительную работу, при этом, что очевидно, форма зависает на длительное время. Поэтому используйте Synchronize для вывода информации - то самое двигание прогресса, обновления заголовков компонентов и т.д.

Вы наверное заметили, что внутри цикла мы используем процедуру Sleep. В однопоточном приложении Sleep используется редко, а вот в потоках его использовать очень удобно. Пример - бесконечный цикл, пока не выполнится какое-нибудь условие. Если не вставить туда Sleep мы будем просто нагружать систему бесполезной работой.

Надеюсь, вы поняли как работает Synchronize. Но есть еще один довольно удобный способ передать информацию форме - посылка сообщения. Давайте рассмотрим и его. Для этого объявим константу:

Код

const
PROGRESS_POS = WM_USER+1;

В объявление класса формы добавим новый метод, а затем и его реализацию:

Код

TForm1 = class(TForm)
Button1: TButton;
ProgressBar1: TProgressBar;
procedure Button1Click(Sender: TObject);
private
procedure SetProgressPos(var Msg: TMessage); message PROGRESS_POS;
public
{ Public declarations }
end;
...

procedure TForm1.SetProgressPos(var Msg: TMessage);
begin
ProgressBar1.Position:=Msg.LParam;
end;

Теперь мы немного изменим, можно сказать даже упростим, реализацию метода Execute нашего потока:

procedure TNewThread.Execute;
var
i: integer;
begin
for i:=0 to 100 do
begin
sleep(50);
SendMessage(Form1.Handle,PROGRESS_POS,0,i);
end;
end;

Используя функцию SendMessage, мы посылаем окну приложения сообщение, один из параметров которого содержит нужный нам прогресс. Сообщение становится в очередь, и согласно этой очереди будет обработано главным потоком, где и выполнится метод SetProgressPos. Но тут есть один нюанс: SendMessage, как и в случае с Synchronize, приостановит выполнение нашего потока, пока основной поток не обработает сообщение. Если использовать PostMessage этого не произойдёт, наш поток отправит сообщение и продолжит свою работу, а уж когда оно там обработается - неважно. Какую из этих функций использовать - решать вам, всё зависит от задачи.

Вот, в принципе, мы и рассмотрели основные способы работы с компонентами VCL из потоков. А как быть, если в нашей программе не один новый поток, а несколько? И нужно организовать работу с одними и теми же данными? Тут нам на помощь приходят другие способы синхронизации. Один из них мы и рассмотрим. Для его реализации нужно добавить в проект модуль SyncObjs.
Критические секции
Работают они следующим образом: внутри критической секции может работать только один поток, другие ждут его завершения. Чтобы лучше понять, везде приводят сравнение с узкой трубой: представьте, с одной стороны "толпятся" потоки, но в трубу может "пролезть" только один, а когда он "пролезет" - начнёт движение второй, и так по порядку. Еще проще понять это на примере и тем же ProgressBar'ом. Итак, запустите один из примеров, приведённых ранее. Нажмите на кнопку, подождите несколько секунд, а затем нажмите еще раз. Что происходит? ProgressBar начал прыгать. Прыгает потому, что у нас работает не один поток, а два, и каждый из них передаёт разные значения прогресса. Теперь немного переделаем код, в событии onCreate формы создадим критическую секцию:

Код

var
Form1: TForm1;
CriticalSection: TCriticalSection;

...

procedure TForm1.FormCreate(Sender: TObject);
begin
CriticalSection:=TCriticalSection.Create;
end;

У TCriticalSection есть два нужных нам метода, Enter и Leave, соответственно вход и выход из неё. Поместим наш код в критическую секцию:

Код

procedure TNewThread.Execute;
var
i: integer;
begin
CriticalSection.Enter;
for i:=0 to 100 do
begin
sleep(50);
SendMessage(Form1.Handle,PROGRESS_POS,0,i);
end;
CriticalSection.Leave;
end;

Попробуйте запустить приложение и нажать несколько раз на кнопку, а потом посчитайте, сколько раз пройдёт прогресс. Понятно, в чем суть? Первый раз, нажимая на кнопку, мы создаём поток, он занимает критическую секцию и начинает работу. Нажимаем второй - создаётся второй поток, но критическая секция занята, и он ждёт, пока её не освободит первый. Третий, четвёртый - все пройдут только по-очереди.

Критические секции удобно использовать при обработке одних и тех же данных (списков, массивов) разными потоками. Поняв, как они работают, вы всегда найдёте им применение.

В этой небольшой статье рассмотрены не все способы синхронизации, есть еще события (TEvent), а так же объекты системы, такие как мьютексы (Mutex), семафоры (Semaphore), но они больше подходят для взаимодействия между приложениями. Остальное, что касается использования класса TThread, вы можете узнать самостоятельно, в help'е всё довольно подробно описано. Цель этой статьи - показать начинающим, что не всё так сложно и страшно, главное разобраться, что есть что. И побольше практики - самое главное опыт!

Прародителем сети интернет была сеть ARPANET. Первоначально её разработка финансировалась Управлением перспективного планирования (Advanced Research Projects Agency, или ARPA). Проект стартовал осенью 1968 года и уже в сентябре 1969 года в опытную эксплуатацию был запущен первый участок сети ARPANET.

Сеть ARPANET долгое время являлась тестовым полигоном для исследования сетей с коммутацией пакетов. Однако кроме исследовательских, ARPANET служила и чисто практическим целям. Ученые нескольких университетов, а также сотрудники некоторых военных и государственных исследовательских институтов регулярно её использовали для обмена файлами и сообщениями электронной почты, а так же для работы на удалённых компьютерах. В 1975 году управление сетью было выведено из под контроля ARPA и поручено управлению связи Министерства обороны США. Для военных данная сеть представляла большой интерес, так как позволяла сохранять её работоспособность даже при уничтожении её части, например, при ядерном ударе.

В 1983 году Министерство обороны разделило ARPANET на две связанные сети. При этом за сетью ARPANET были сохранены её исследовательские функции, а для военных целей была сформирована новая сеть, которую назвали MILNET. Физически сеть ARPANET состояла приблизительно из 50 миникомпьютеров типа С30 и С300, выпущенных фирмой BBN Corporation. Они назывались узлами коммутации пакетов и были разбросаны по территории материковой части США и Западной Европы. Сеть MILNET состояла приблизительно из 160 узлов, причём 34 из них были расположены в Европе, а 18 в Тихом Океане и в Азиатско-Тихоокеанском регионе. Сами узлы коммутации пакетов нельзя было использовать для решения вычислительных задач общего плана.

Понимая, что в ближайшем будущем очень важным моментом в научных исследованиях будет процесс обмена данными, Национальный научный фонд (NFS) в 1987 году основал отделение сетевых и коммуникацинных исследований и инфраструктуры. В его задачи входило обеспеченье современными сетевыми коммуникационными средствами учёных и инженеров США. И хотя отделение фонда NFS финансировало основные исследовательские программы в области сетевых коммуникаций, сферой его основных интересов было расширение Internet.

Сеть NSFNET строилась в несколько этапов и быстро преобретала популярность не только в научно-исследовательских кругах, но и в коммерческой среде. К 1991 году фонд NFS и другие государственные учреждения США поняли, что масштабы Internet вышли далеко за отведённые её на этапе разработки рамки университетской и научной сети. К Internet стало подключаться множество организаций, разбросанных по всему Земному шару. Трафик в магистральном канале NSFNET вырос почти до миллиарда пакетов в день, и его пропускной способности 1.5 Мбит/с на отдельных участках стало уже не хватать. Поэтому правительство США начало проводить политику приватизации и коммерческого использования Internet. Фонд NFS принял решение предать магистральную сеть на попечение закрытой акционерной компании и оплачивать доступ к ней для государственных научных и исследовательских организаций.

Семейство TCP/IP

Познакомившись с историей, давайте подробнее рассмотрим, что собой представляют протоколы TCP/IP. TCP/IP - это семейство сетевых протоколов, ориентированных на совместную работу. В состав семейства входит несколько компонентов:

IP (Internet Protocol - межсетевой протокол) - обеспечивает транспортировку пакетов данных с одного компьютера на другой;

ICMP (Internet Control Message Protocol - протокол управляющих сообщений в сети Internet) - отвечает за различные виды низкоуровневой поддержки протокола IP, включая сообщения об ошибках, вспомогательные маршрутизирующие запросы и подтверждения о получении сообщений;

ARP (Address Resolution Protocol - протокол преобразования адресов) - выполняет трансляцию IP-адресов в аппаратные MAC-адреса;

UDP (User Datagram Protocol - протокол передачи дейтаграмм пользователя) и TCP (Transmission Control Protocol - протокол управления передачей) - обеспечивают доставку данных конкретным приложениям на указанном компьютере. Протокол UDP реализует передачу отдельных сообщений без подтверждения доставки, тогда как TCP гарантирует надёжный полнодуплексный канал связи между процессами на двух разных компьютерах с возможностью управления потоком и контроля ошибок.

Протокол представляет собой набор правил, использующихся для при обмене данными между двумя компьютерами. В нём оговариваются формат блоков сообщений, описывается реакция компьютера на получение определённого типа сообщения и указываются способы обработки ошибок и других необычных ситуаций. И что самое важное, благодаря протоколам, мы можем описать процесс обмена данными между компьютерами, не привязываясь к какой-то определённой комьютерной платформе или сетевому оборудованию конкретного производителя.

Сокрытие низкоуровневых особенностей процесса передачи данных способствует повышению производительности труда разработчиков. Во-первых, поскольку программистам приходится иметь дело с протоколами, относящимися к достаточно высокому уровню абстракции, им не нужно держать в голове (и даже изучать!) технические подробности испольуемого аппаратного обеспечения. Во-вторых, поскольку программы разрабатываются на основе модели, относящейся к высокому уровню абстракции, который не зависит от конкретной архитектуры компьютера или типа сетевого оборудования, в них не нужно вносить никаких изменений при переходе на другой тип оборудования или изменений конфигурации сети.

Замечание
Говорить о том, что ARP входит в состав семейства протоколов TCP/IP не совсем корректно. Однако это неотъемлемая часть стека протоколов в сетях Ethernet. Для того чтобы отправить данные по сети, IP-адрес хоста должен быть преобразован в физический адрес машины получателя (уникальный адрес сетевой платы). Протокол ARP как раз и предназначен для такой цели.

Самым фундаментальным протоколом Интернета является протокол IP (от англ. Internet Protocol), обеспечивающий передачу данных между двумя удаленными компьютерами. Протокол IP является достаточно простым, и обеспечивает адресацию в сети. В ранних сетях адреса в сети были уникальные целые цифры, сейчас сеть построена по иерархическому принципу.

Стек протоколов TCP/IP имеет четыре основных уровня, поэтому часто говорят, что TCP/IP — это четырехуровневый стек протоколов. Внизу стека расположен интерфейсный уровень, посредством которого происходит связь с аппаратурой. За ним следует уровень IP, поверх которого построены транспортные протоколы TCP и UDP. На вершине стека находится уровень приложений, таких как ftp, telnet и т. д. Как мы уже говорили, IP — это простой протокол, не требующий установления соединения. При отсылке пакета данных, IP, как и все протоколы без соединения, послав пакет, тут же "забывает" о нем. При приеме пакетов с верхних уровней стека, этот протокол обертывает их в IP-пакет и передает необходимому аппаратному обеспечению для отправки в сеть. Однако именно в такой простоте и заключается основное достоинство протокола IP. Дело в том, что поскольку IP является простым протоколом, он никак не связан со структурой физической среды, по которым передаются данные. Для протокола IP главное, что эта физическая среда в принципе способна к передаче пакетов. Поэтому IP работает как в локальных, так и в глобальных сетях, как в синхронном, так и в асинхронном режиме передачи данных, как в обычных линиях связи, так и беспроводных и т. д. А поскольку протокол IP является фундаментом четырехуровнего сте-ка протоколов, то все семейство протоколов TCP/IP также может функционировать в любой сети с любым режимом передачи пакетов.

На сетевом уровне в семействе протоколов TCP/IP предусмотрено два обширных класса служб, которые используются во всех приложениях.

Служба доставки пакетов, не требующая установки соединения.

Надёжная потоковая транспортная служба.

Различие между службами, требующими установления надёжного соединения и службами, не требующими этого, является одним из самых основных вопросов сетевого программирования. Первое, на что следует обратить внимание, это то, что когда мы говорим об установлении соединения, то имеется в виду не соединение между компьютерами посредством физического носителя, а о способе передачи данных по этому носителю. Основное различие состоит в том, что службы, в которых устанавливается надёжное соединение, сохраняют информацию о состоянии и таким образом отслеживают информацию о передаваемых пакетах. В службах же, не требующих надёжного соединения, пакеты передаются независимо друг от друга.

Данные передаются по сети в форме пакетов, имеющих максимальный размер, определяемый ограничениями канального уровня. Каждый пакет состоит из заголовка и полезного содержимого (сообщения). Заголовок включает сведения о том, откуда прибыл пакет и куда он направляется. Заголовок, кроме того, может содержать контрольную сумму, информацию, характерную для конкретного протокола, и другие инструкции, касающиеся обработки пакета. Полезное содержимое – это данные, подлежащие пересылке.

Имя базового блока передачи данных зависит от уровня протокола. На канальном уровне это кадр или фрейм, в протоколе IP – пакет, а в протоколе TCP – сегмент. Когда пакет передаётся вниз по стеку протоколов, готовясь к отправке, каждый протокол добавляет в него свой собственный заголовок. Законченный пакет одного протокола становится полезным содержимым пакета, генерируемого следующим протоколом.

Определение

Пакеты, которые посылаются протоколом, не требующим соединения, называются дейтаграммами.

Каждая дейтаграмма является уникальной в том смысле, что никак не зависит от других. Как правило, при работе с протоколами без установления соединения, диалог между клиентом и сервером предельно прост: клиент посылает одиночный запрос, а сервер на него отвечает. При этом каждый новый запрос — это новая транзакция, т. е. инициируемые клиентом запросы никак не связаны друг с другом с точки зрения протокола. Протоколы без установления соединения ненадежны в том смысле, что нет никаких гарантий, что отправленный пакет будет доставлен по месту назначения.

Протоколами, требующие установления логического соединения, сохраняют информацию о состоянии, что позволяет обеспечивать надежную доставку пересылаемых данных. Когда говорится о сохранении состояния, имеется ввиду то, что между отправителем и получателем происходит обмен информацией о ходе выполнения передачи данных. К примеру, отправитель, посылая данные, сохраняет информацию о том, какие данные он послал. После этого в течении определенного времени он ожидает информацию от получателя о доставке этих данных, и, если такая информация не поступает, данные пересылаются повторно.

Работа протокола с установлением соединения включает в себя три основные фазы:

установление соединения;

обмен данными;

разрыв соединения.

Передача всех данных при работе с таким протоколом, в отличие от протокола без установления соединения, происходит за одну транзакцию, т. е. в фазе обмена данными не происходит обмена адресами между отправителем и получателем, поскольку эта информация передается на этапе установки соединения. Возвращаясь к телефонной аналогии, можно сказать, что нам в этом случае нет необходимости для того, чтобы сказать собеседнику очередное слово, вновь набирать его номер и устанавливать соединение. Заметим, что приводимая аналогия имеет одну неточность. Дело в том, что при телефонном разговоре все же устанавливается физическое соединение. Когда же мы говорим о соединении с точки зрения протоколов, то это соединение, скорее, умозрительное. К примеру, если вдруг при телефонном разговоре, неожиданно сломается телефонный аппарат вашего собеседника, вы тут же узнаете об этом, поскольку разговор незамедлительно прервется. А вот если происходит обмен данными между двумя хостами и один из них вдруг аварийно остановится, то для его "хоста-собеседника" соединение по прежнему будет существовать, поскольку для него не произошло ничего такого, что сделало бы недействительной хранящуюся у него информацию о состоянии.

В этом смысле работу с протоколом, требующим установления логического соединения можно сравнить с телефонным разговором. Когда мы звоним по телефону, мы сначала набираем номер (установление соединения), затем разговариваем (обмен данными) и по окончании разговора вешаем трубки (разрыв соединения).

Протокол без установления соединения обычно сравниваю с почтовой открыткой. Каждая открытка представляет собой самостоятельную единицу (пакет информации или дейтаграмму), которая обрабатывается в почтовом отделении независимо от других открыток. При этом на почте не отслеживается состояние переписки между двумя респондентами и, как правило, нет никакой гарантии, что ваша открытка попадет к адресату. Если на открытке указан неправильный адрес, она никогда не дойдет до получателя, и не возвратиться обратно к отправителю. А если вы захотите отправить вашему собеседнику новую порцию информации, то это уже будет другая транзакция, поскольку нужно будет писать новую открытку, указывать на ней адрес и т. д.

Как видим, у протоколов без установления соединения существует много недостатков и может возникнуть вопрос о надобности таких протоколов. Однако, использование проколов без установления логического соединения все-таки оправдано. Как правило, при помощи таких протоколов организуется связь одного хоста со многими другими, в то время как при использовании протоколов с установлением соединения связь организуется между парой хостов (по одному соединению на каждую пару). Важный момент заключается в том, что протоколы без установления логического соединения являются фундаментом, на котором строятся более сложные протоколы. К примеру, протокол TCP построен на базе протокола IP.

Протоколы транспортного уровня

Протоколами транспортного уровня в четырехуровневом стеке протоколов являются протоколы TCP и UDP.

Давайте рассмотрим, каким образом функционирует протокол TCP. Дело в том, что поскольку TCP-пакеты, иначе называемые сегментами, посылаются при помощи протокола IP, у TCP нет никакой информации о состоянии этих пакетов. Поэтому для того, чтобы хранить информацию о состоянии, TCP к базовому протоколу IP добавляет три параметра.

Во-первых, добавляется сегмент контрольной суммы содержащихся в пакете данных, что позволяет убедиться в том, что в принципе все данные дошли до получателя и не повредились во время транспортировки.

Во-вторых, к каждому передаваемому байту приписывается порядковый номер, что необходимо для определения того, совпадает ли порядок прибытия данных с порядком их отправки. И даже в том случае, если данные пришли не в том порядке, в котором были отправлены, наличие порядковых номеров позволит получателю правильно составить из этих данных исходное сообщение.

В-третьих, базовый протокол IP дополняется также механизмами подтверждения получения данных и повторной отправки, на тот случай, если данные не были доставлены.

Если с первыми двумя параметрами все более-менее понятно, то механизм подтверждения/повторной отправки достаточно сложен и его мы рассмотрим подробнее в другой раз.

Когда вы вызываете функцию Windows, она проверяет переданные ей параметры, а затем пытается выполнить работу. Если передан недопустимый параметр или если данную операцию нельзя выполнить по другой причине, она возвращает значение, свидетельствующее об ошибке. За каждой ошибкой закреплен свой 32 битный код. Функция Windows, обнаружив ошибку, через механизм локальной памяти потока сопоставляет соответствующий код ошибки с вызывающим потоком. Это позволяет потокам работать независимо друг от друга, не вмешиваясь в чужие ошибки.

Когда функция вернет вам управление, ее возвратное значение будет указывать на то, что произошла какая-то ошибка. Какая именно - вы узнаете, вызвав функцию GetLastError(). Она просто возвращает 32-битный код ошибки для данного потока. Список кодов ошибок, определенных Microsoft, содержится в файле WinError.h.

Функцию GetLastError необходимо вызывать сразу же за проверяемой функцией, иначе код ошибки будет утерян.

Для отладки бывает нужно следить не за одной ошибкой , а за их постоянным изменением, для этого нет необходимости включать в код постоянные проверки и чтение GetLastError, можно в окне дебагирования Visual C++ ввести @err,hr. В окне вы увидите значение переменной ошибки.

Так как ошибки, которые возникают в программе, возникают не только в процессе отладки, но могут быть обусловлены текущим состоянием системы, на которй бежит программа, то иногда бывает полезно сообщить тип ошибки в нормальном текстовом виде.

В Windows есть специальная функция, которая "конвертирует" код ошибки в ее описание, - FormatMessage.

Код

DWORD FormatMessage(
DWORD dwFlags,
LPCVOID pSource,
DWORD dwMessageId,
DWORD dwLanguageId,
PTSTR pszBuffer,
DWORD nSize,
Va_list *Aguments);

Для разработчика особенно важно, при создании API или SDK подобных вещей, создавать сходный механизм возврата ошибок для своих функций.

С этой целью вы просто устанавливаете код последней ошибки в потоке и возвращаете значение FALSE, INVALID_HANDLE_VALUE, NULL или что-то другое, более подходящее по ситуации. Чтобы установить код последней ошибки в потоке используйте SetLastError.

Код

void Set LastError(DWORD dwErrCode);

Параметр - 32-битное число. Использовать лучше подходящий код ошибки Windows, однако если такового подходящего не нашлось, то можно ввести свой собственный код ошибки. Он должен представлять собой 32-битное число, разбитое по следующим правилам.

Биты

31-30 - Код тяжести - 0=успех, 1=информация, 2=предупреждение, 3=ошибка

29 - Кем определен - 0-Microsoft 1-пользователем

28 - Должен быть 0

27-16 - Определяется Microsoft. (Код подсистемы)

15-0 - Код ошибки.

Собственно Microsoft обещает, что бит 29 будет в ее ошибках всегда равен 0 поэтому, поставив там 1, вы будете в какой-то степени в безопасности от конфликтов с кодами ошибок Microsoft.

Потоки всегда создаются в контексте какого-либо процесса, и вся их жизнь проходит только в его границах. На практике это означает, что потоки исполняют код и манипулируют данными в адресном пространстве процесса. Если два или более потока выполняются внутри одного процесса, они делят одно адресное пространство.
Любой поток (thread) состоит из двух компонентов:

объекта ядра, через который ОС управляет потоком. Там же хранится статистическая информация о потоке.

Стека потока, который содержит параметры всех функций и локальные переменные, необходимые потоку для выполнения кода.

Потоки могут выполнять один и тот же код, манипулировать одними и теми же данными, а также совместно использовать описатели объектов ядра, поскольку таблица описателей создается не в отдельных потоках, а в процессах.

Потоки используют намного меньше ресурсов системы, чем процессы, поэтому все задачи, требующие параллельного выполнения нескольких подзадач, стоит решать по возможности с помощью потоков, не прибегая к созданию нескольких процессов.

Обычная структура многопоточного приложения рассчитана на одновременное исполнение нескольких подзадач. Однако стоит помнить, что, создавая многопоточное приложение, нам придется заботиться о сохранности и ликвидности, общих для всех потоков, данных.

Создание потока.

Первичный поток, который присутствует в программе, начинает свое выполнение с главной функции потока типа WinMain.

Для создания вторичного потока необходимо создать и для него входную функцию, которая выглядит примерно так:

Код

DWORD WINAPI ThreadFunc(PVOID pParam)
{
DWORD dwResult = 0;
.........
return dwResult;
}

Имя у функции вторичного потока, в отличии от первичного, может быть любым однако, при наличии нескольких разных потоков, назвать функции необходимо по-разному, иначе система создаст разные реализации одной и той же функции.

Когда поток закончит свое исполнение, он вернет управление системе, память, отведенная под его стек, будет освобождена, а счетчик пользователей его объекта ядра "поток" уменьшится на 1. Когда счетчик обнулится, этот объект ядра будет разрушен.

Для создания своего потока необходимо использовать функцию CreateThread:

Код

HANDLE CreateThread(
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,
DWORD dwStackSize,
LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress,
LPVOID lpParameter,
DWORD dwCreationFlags,
LPDWORD lpThreadId);

При каждом вызове этой функции система создает объект ядра (поток). Это не сам поток, а компактная структура данных, которая используется операционной системой для управления потоком и хранит статистическую информацию о потоке.

Система выделяет память под стек потока из адресного пространства процесса. Новый поток выполняется в контексте того же процесса, что и родительский поток. Поэтому он получает доступ ко всем описателям объектов ядра, всей памяти и стекам всех потоков в процессе. За счет этого потоки в рамках одного процесса могут легко взаимодействовать друг с другом.

CreateThread - это Windows-функция, создающая поток. Если вы пишете код на С/С++ не вызывайте ее. Вместо нее Вы должны использовать _beginthreadex из библиотеки Visual C++. Почему это так важно в наших следующих выпусках.

Параметры функции CreateThread.

LpThreadAttributes - является указателем на структуру LPSECURITY_ATTRIBUTES. Для присвоения атрибутов защиты по умолчанию, передавайте в этом параметре NULL.

DwStackSize - параметр определяет размер стека, выделяемый для потока из общего адресного пространства процесса. При передаче 0 - размер устанавливается в значение по умолчанию.

LpStartAddress - указатель на адрес входной функции потока.

LpParameter - параметр, который будет передан внутрь функции потока.

DwCreationFlags - принимает одно из двух значений: 0 - исполнение начинается немедленно, или CREATE_SUSPENDED - исполнение приостанавливается до последующих указаний.

LpThreadId - Адрес переменной типа DWORD в который функция возвращает идентификатор, приписанный системой новому потоку.

Завершение потока

Поток можно завершит четырьмя способами:

функция потока возвращает управление (рекомендуемо);

поток самоуничтожается вызовом функции ExitThread;

другой поток процесса вызывает функцию TerminateThread;

завершается процесс, содержащий данный поток.

Все способы , за исключением рекомендуемого, являются нежелательными и должны использоваться только в форс-мажорных обстоятельствах.

Функция потока, возвращая управление, гарантирует корректную очистку всех ресурсов, принадлежащих данному потоку. При этом:

любые С++ объекты, созданные данным потоком, уничтожаются соответствующими деструкторами;

система корректно освобождает память, которую занимал стек потока;

система устанавливает код завершения данного потока. Его функция и возвращает;

счетчик пользователей данного объекта ядра (поток) уменьшается на 1.

При желании немедленно завершить поток изнутри используют функцию ExitThread(DWORD dwExitCode).

При этом освобождаются все ресурсы ОС, выделенные данному потоку, но С С++ ресурсы (например, объекты классов С++) не очищаются. Именно поэтому не рекомендовано завершать поток, используя эту функцию.

Если же вы ее использовали, то кодом возврата потока будет тот параметр, который вы передадите в данную функцию.

Как и для CreateThread для библиотеки Visual C++ существует ее аналог _endthreadex, который и стоит использовать. Об причинах в следующем выпуске.

Если появилась необходимость уничтожить поток снаружи, то это моет сделать функция TeminateThread.

Эта функция уменьшит счетчик пользователей объекта ядра (поток) на 1, однако при этом не разрушит и не очистит стек потока. Стек будет существовать, пока не завершится процесс, которому принадлежит поток. При задачах, постоянно создающих и уничтожающих потоки, это приводит к потере памяти внутри процесса.

При завершении процесса происходит следующее.

Завершение потока происходит принудительно. Деструкторы объектов не вызываются, и т.д. и т.д.

При завершении потока по такой причине, связанный с ним объект ядра (поток) не освобождается до тех пор, пока не будут закрыты все внешние ссылки на этот объект.

Сегодня все более актуальной становится проблема перегруженности кабельной канализации, решить которую можно с помощью микротраншейной прокладки волоконно-оптических кабелей. Совершенствование телекоммуникационного оборудования позволяетзначительно сокращать площадь, занимаемую станционным оборудованием, при этом многократно наращивая мощность.

---

В отношении линейных сооружений такие тенденции, к сожалению, практически не наблюдаются. Развитие сетей операторов связи, а также ведомственных сетей приводит к тому, что существующая кабельная канализация оказывается перегруженной, и дополнительная прокладка кабелей невозможна. Кроме того, следует учитывать, что волоконно-оптические кабели необходимо прокладывать в свободных каналах кабельной канализации, в которые впоследствии могут быть проложены другие волоконно-оптические кабели. В канале кабельной канализации, занятом кабелем с металлическими проводниками, допускается совместная прокладка волоконно-оптических кабелей только в защитной полиэтиленовой трубке. Однако часто в каналах отсутствует место для прокладки кабелей в полиэтиленовых трубках. В такой ситуации приходится выполнять докладку каналов кабельной канализации, а это весьма дорогостоящая процедура. Чаще всего возникает необходимость докладки каналов в центральных районах, и без того перенасыщенных подземными коммуникациями (это, как правило, районы с высокой деловой активностью).

Надо отметить, что разрытие влечет за собой многочисленные неудобства: создает препятствия передвижению транспорта и пешеходов, ухудшает внешний вид улиц. В местах пересечений с коммуникациями сторонних организаций необходимо привлекать представителей этих организаций. Работы часто приходится проводить в сжатые сроки, в том числе и в ночное время. Для движения пешеходов через зоны разрытий устраиваются временные переходы с ограждениями, в темное время суток предусматривается освещение. Кроме того, по окончании работ проводятся ре-культивационные мероприятия, а также восстановление покрытия дорожного полотна (асфальтирование, укладка плитки и пр.). Действующие инструкции рекомендуют проводить ручным способом работы по рытью траншей и котлованов в стесненных городских условиях. Это создает дополнительные проблемы, особенно в зимний период. Городские власти с неохотой позволяют осуществлять разрытия в центральных районах города. Таким образом, есть целый комплекс проблем, препятствующих развитию проводных сетей в районах, где они более всего необходимы. Поиск путей решения этих проблем заставляет обратиться к опыту зарубежных партнеров. Одним из эффективных методов является применение микротраншейной прокладки волоконно-оптических кабелей.


Методика микротраншейной прокладки основана на использовании специализированных механизмов. Они представляют собой фрезу на шасси трактора для снятия дорожного покрытия и устройство для удаления пыли, песка, гравия и других мелких фракций. Эти механизмы могут быть совмещены в один или же, наоборот, разделены, соответственно распределяя технологическую операцию подготовки траншеи к инсталляции кабеля на два этапа – вскрытия асфальта и очистки микротраншеи. В качестве устройства очистки может применяться компрессор, а также вакуумный или водяной насос. Соответственно, посторонние частицы выдуваются воздушным потоком, отсасываются или же вымываются водяным потоком, который подается под напором.

Как правило, прокладка кабеля в грунт осуществляется в траншею на глубину 1,2 м (кроме скальных и прочих плотных грунтов IV и выше категории) согласно действующим нормам. Такая глубина считается достаточной для надежной защиты линейно-кабельных сооружений, эксплуатируемых вне помещений, от несанкционированного доступа и влияния факторов окружающей среды. В городских условиях для упорядочивания коммуникаций строится кабельная канализация, которая обеспечивает дополнительную защиту линейно-кабельных сооружений.

Различными разработчиками волоконно-оптических кабелей предлагаются разные варианты технологии прокладки кабеля в микротраншею. Эти варианты имеют общую технологическую операцию – заглубление. Идея микротраншейной технологии заключается в том, чтобы при значительном сокращении земляных работ обеспечить надежную защиту кабелей. Дополнительной защитой от наиболее вероятного внешнего механического и температурного воздействия служит само дорожное полотно.



Существуют технологии прокладки волоконно-оптических кабелей специальной конструкции непосредственно в микротраншею, а также прокладка специальных каналов для последующей инсталляции в них волоконно-оптических кабелей.


С помощью специализированных механизмов в полотне дороги проделывается микротраншея шириной до 15 мм и глубиной от 40 до 100 мм, в которую укладывается специализированный волоконно-оптический кабель. Проложенный кабель накрывается жгутом из пористой резины, диаметр жгута подобран таким образом, чтобы он плотно укладывался в траншею и служил распоркой. После этого траншея заливается битумом.

Кабель, предназначенный для такого способа инсталляции, представляет собой конструкцию monotube и состоит из одного металлического модуля, выполненного из медного сплава, внутри которого содержатся оптические волокна. Внутреннее пространство модуля с волокнами заполняется гидрофобным компаундом. Внешний диаметр модуля составляет 5 мм. Модуль содержит пучки оптических волокон. Для идентификации оптические волокна в одном пучке имеют различную окраску, а каждый пучок имеет обмотку из цветных синтетических нитей. Количество оптических волокон в пучке – до 12 штук. Кабель может содержать до 5 пучков оптических волокон. Таким образом, количество оптических волокон в кабеле может достигать шестидесяти. Снаружи кабель покрыт защитной полиэтиленовой оболочкой. Наружный диаметр кабеля составляет 7 мм, вес – порядка 110 кг/км.



Такая конструкция волоконно-оптического кабеля обеспечивает высокую устойчивость к температурным колебаниям и механическим воздействиям. Допустимое усилие на разрыв составляет 1 кН. Допустимый радиус изгиба при прокладке – 70 мм. Диапазон рабочих температур – от -40 до+70°С.

Следует заметить, что, как и в случае с другими волоконно-оптическими кабелями, инсталляционные работы должны проводиться при температуре окружающей среды не ниже -5°С.

Для сращивания строительных длин волоконно-оптического кабеля разработаны специальные муфты, предназначенные для установки на поверхности грунта таким образом, чтобы люк муфты оказывался на одном уровне с дорожным покрытием. Это муфты проходного типа. Корпус круглой формы выполнен из нержавеющей стали и рассчитан на сращивание до двух строительных длин кабеля, то есть имеет 4 кабельных ввода. Существуют модификации муфт для сращивания волоконно-оптических кабелей различной емкости. Корпус муфты имеет круглую форму, диаметр рассчитан таким образом, чтобы обеспечить возможность выкладки технологического запаса оптических волокон внутри корпуса муфты.



Кабельные вводы располагаются в нижней части корпуса муфты, герметизируются механически путем обжима патрубка муфты вокруг металлического модуля кабеля с помощью обжимного инструмента. Затем место стыка защитной полиэтиленовой оболочки кабеля и кабельного ввода муфты может быть дополнительно защищено термоусаживаемой трубкой для предотвращения проникновения влаги под оболочку. Такой способ герметизации обеспечивает надежную долговременную защиту муфты от проникновения влаги.


Способ подготовки микротраншеи для инсталляции аналогичен способу прокладки кабеля непосредственно в грунт, за исключением размеров микротраншеи. Для прокладки каналов проделывается микротраншея шириной 100 мм и глубиной порядка 250 мм. В нее прокладывается 1–2 канала, содержащих до 7 субканалов для прокладки кабелей: один центральный и 7 периферийных. Внутренний диаметр каналов составляет 10 мм. После укладки каналов микротраншея заливается легким бетоном, а затем восстанавливается асфальтовое покрытие. Для расположения муфт и технологического запаса волоконно-оптического кабеля устраиваются специальные микроколодцы, представляющие собой пластиковые или металлические короба, заглубленные в грунт и вмурованные в асфальт. Горловина микроколодца закрывается крышкой или люком с замком, препятствующим несанкционированному доступу. Ввод каналов с кабелями осуществляется через стенки с последующей герметизацией места ввода. Муфта закрепляется на стенке микроколодца, а технологический запас кабеля выкладывается в форме восьмерки. За счет небольшого внешнего диаметра кабеля минимально допустимый радиус изгиба кабеля – около 150 мм.



Строительство традиционных смотровых устройств кабельной канализации предусматривает значительный объем земляных работ, включающих в себя рытье котлована, вывоз излишков грунта, трамбовку грунта на дне котлована во избежание проседания под весом железобетонной конструкции. При строительстве необходима также техника для разгрузки железобетонных элементов колодца.

Поскольку микроколодцы располагаются на поверхности грунта, а их размеры и вес гораздо меньше стандартных смотровых устройств кабельной канализации, необходимы значительно меньшие затраты на их строительство. В первую очередь это достигается за счет значительного сокращения объемов земляных работ, а также за счет уменьшения трудозатрат.

Для данной методики разработаны специальные микрокабели, представляющие собой типичные кабели конструкции loose tube, но с оптическими модулями уменьшенного диаметра. Благодаря использованию таких технологических решений и совершенствованию материалов кабеля удалось уменьшить наружный диаметр кабеля до 7,2 мм без снижения механической прочности, то есть устойчивости к растягивающим и раздавливающим усилиям, к удару, кручению, изгибу, а также к температурным колебаниям. Такой кабель содержит до 6 оптических модулей, в каждом из которых может быть до 12 оптических волокон. Таким образом, общее количество оптических волокон в кабеле может достигать 72. Выпускаются также модификации этих кабелей, содержащие 8 и 12 оптических модулей и, соответственно, 96 и 144 оптических волокна.

Поскольку основная масса подземных коммуникаций располагается в канализациях и коллекторах, которые находятся на глубине не менее 1 м, а глубина микротраншеи значительно меньше, существенно снижается вероятность повреждения сторонних коммуникаций в процессе инсталляции. Упрощается также процесс согласования строительных работ на этапе проектирования.

При использовании стандартных методик строительства кабельной канализации скорость инсталляции составляет до 300 м в день. Использование микротраншейной технологии позволяет увеличить скорость строительства до нескольких километров в день, без учета времени на строительство смотровых устройств, где преимущества этого метода еще более очевидны.

В результате инсталляции одного канала можно получить кабельную канализацию, готовую для прокладки волоконно-оптических кабелей емкостью до полутысячи оптических волокон.


Широкие перспективы применения микротраншейной технологии прокладки волоконно-оптических кабелей обусловлены отсутствием необходимости приобретения дополнительного дорогостоящего оборудования и привлечения зарубежных специалистов для его наладки и обучения персонала. Необходимое для реализации этого метода дорожно-строительное оборудование имеется в наличии в учреждениях, занимающихся эксплуатацией дорог. Достоинством этой технологии прокладки является отсутствие необходимости длительных перерывов движения транспорта. В случае проведения работ на улицах с незначительным транспортным потоком движение вообще можно не перекрывать даже в случае поперечного пересечения.

В заключение необходимо отметить, что микротраншейная технология прокладки волоконно-оптических кабелей намного дешевле традиционных способов строительства кабельной канализации. Применение этой методики позво-ляет значительно сократить трудозатраты и время на проведение строительных работ, а также повысить эффективность труда с помощью механизации. Широкое внедрение микротраншейной технологии на практике позволит интенсифицировать развитие межстанционной сети в мегаполисах и тем самым улучшить качество обслуживания клиентов.