Многопоточное программирование на C++

Магистратура 2025/2026

Статус: Курс обязательный (Аппаратно-программные комплексы искусственного интеллекта)

Кто читает: Департамент электронной инженерии

Когда читается: 2-й курс, 2, 3 модуль

Охват аудитории: для всех кампусов НИУ ВШЭ

Язык: русский

Дополнительные материалы в LMS Задать вопрос

Аннотация

Данный курс является завершающим в цикле обучения C++ в рамках магистратуры и посвящен разработке высокопроизводительных приложений. На примере проекта - рендеринга на CPU - слушатели изучат способы разработки многопоточных программ в C++ для ОС Linux, пути решения проблем синхронизации (с блокировками и без), стандартные паттерны многопточного программирования. Итоговый проект данного курса будет объединять в себе знания, полученные на предыдущих дисциплинах, потребуется применение знаний об ассемблере, отладке и профайлировке программ, “широкие” инструкции и др.Курс является завершающим в наборе курсов, посвященных программированию на С/С++.

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
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
Знать организацию межпроцессного взаимодействия - сигналы и shared memor

Содержание учебной дисциплины

Блокирующий ввод/вывод в *nix системах. Сокеты Беркли. async на питоне
Стандартизация протоколов общения. Архитектурное ревью. Protobuf
Ускорение обработки запросов с помощью многопоточного исполнения. Потоки и процессы на уровне ОС. Потоки в C++ (запуск, завершение)
Профайлировка - sys и user time. Пул потоков. Примитивы синхронизации на уровне ОС и в C++: мьютексы и CV
Future-семантика и отладка многопоточного кода
Профайлирование - пример с “медленными” клиентами (которые держат коннект, но редко посылают запросы). Общая идея асинхронного i/o. Epoll
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
Экзамен

Промежуточная аттестация

2025/2026 3rd module
0.1 * Коллоквиум 1 + 0.1 * Коллоквиум 2 + 0.3 * Проект + 0.3 * Проект + 0.2 * Экзамен

Список литературы

Авторы

Нефедов Сергей Игоревич
Манохин Александр Иванович

Программа дисциплины