C++ Parallel & Distributed Computing Systems

Комплексний курс лабораторних робіт і практичних досліджень у галузі паралельних, неблокуючих та розподілених систем на C++17. Репозиторій охоплює теми від низькорівневого керування потоками виконання та апаратної атомарності до побудови власних пулів потоків, кастомних TCP-протоколів і високонавантажених HTTP-серверів.

---

Структура репозиторію та огляд завдань

Task 1: Basic Threading & Memory Wall Analysis

• Тема: Освоєння базових операцій із std::thread, std::async та неблокуючої паралелізації обчислень.
• Ключові реалізації:
  • Реалізація класу ScopedTimer на основі std::chrono для точного профайлінгу.
  • Оптимізоване представлення матриць у виглядi плоских масивів для збереження кеш-локальності та уникнення False Sharing.
  • Аналіз залежності швидкодії від кількості потоків ($3 \dots 72$) та розмірності даних.
• Висновки: Виявлено ефект "Стіни пам'яті" (Memory Wall) — при великих обсягах даних пропускна здатність шини RAM стає головним обмежувачем швидкодії, ніж кількість ядер CPU.

---

Task 2: Atomic Variables & Lock-Free Algorithms

• Тема: Дослідження атомарності, апаратних інструкцій (CMPXCHG) та розробка алгоритмів без м'ютексів.
• Ключові реалізації:
  • Порівняльний аналіз трьох підходів: послідовного, блокуючого (std::mutex + std::lock_guard) та неблокуючого (std::atomic, compare_exchange_weak / CAS).
  • Атомарний розрахунок узагальнених статистик на масивах розміром $10^7+$ елементів.
• Висновки: Доведено перевагу Lock-Free підходу на великих даних завдяки уникненню перемикання контексту ОС та роботі безпосередньо на рівні процесорних інструкцій.

---

Task 3: Production-Grade Thread Pool & Synchronization

• Тема: Проєктування шаблону "Пул потоків" із підтримкою обмеженої черги та примітивів синхронізації.
• Ключові реалізації:
  • Власний ThreadPool із 6 робочими потоками та обмеженою чергою на 20 задач (зі стратегією відкидання задач при переповненні).
  • Синхронізація за допомогою std::mutex, std::shared_mutex (Read-Write Lock) та std::condition_variable.
  • Реалізація функцій паузи (pause()), відновлення (resume()), плавного та миттєвого завершення (terminate()), а також трекінгу статусів задач за їх ID.
  • Вбудована система збору метрик профайлінгу (час простою воркерів, час насичення черги, кількість відхилених задач).

---

Task 4: Inter-Process Communication & Custom TCP Protocol

• Тема: Організація міжпроцесної взаємодії (IPC) та створення розподіленої клієнт-серверної системи.
• Ключові реалізації:
  • Багатопотоковий сервер та синхронний клієнт на низькорівневих сокетах WinSock/POSIX (TCP/IP).
  • Кастомний бінарний протокол прикладного рівня (CMD_CONFIG, CMD_START, CMD_STATUS, CMD_GET_RESULT).
  • Конвертація порядку байтів (Little-Endian $\leftrightarrow$ Big-Endian / Network Byte Order) та порційне читання/запис для обробки фрагментації TCP-пакетів.
  • Винесення математичних обчислень у фоновий потік сервера для збереження чутливості до мережевих запитів.

---

Task 5: Multithreaded HTTP Web Server & Stress Testing

• Тема: Реалізація HTTP 1.1 веб-сервера на транспортному рівні (OSI Level 4) та навантажувальне тестування.
• Ключові реалізації:
  • Обробка HTTP GET-запитів, хостинг статичних сторінок та коректна генерація HTTP 404 Not Found відповідей.
  • Багатопотокова обробка за схемою Thread-per-connection.
  • Стрес-тестування системи за допомогою Locust (до 10,000 віртуальних користувачів).
• Висновки: Визначено точку відмови сервера (при ~7200 паралельних сесіях) та практично продемонстровано обмеження архітектури Thread-per-connection у високонавантажених системах.

---

Стек технологій та інструментів

• Мова програмування: C++17
• Паралелізм: std::thread, std::atomic, std::future, std::condition_variable, std::shared_mutex
• Мережа: TCP Sockets (WinSock2 / POSIX)
• Тестування та Профайлінг: Locust, std::chrono, Custom Benchmarking Frameworks
• Середовище: MS Visual Studio 2022 / VS Code (Windows & WSL Linux)