Основы программирования в Linux - Нейл Мэтью

Сигнал SIGCONT возобновляет остановленный процесс и игнорируется при получении неостановленным процессом. Сигнал SIGCHLD по умолчанию игнорируется (табл. 11.10).

Таблица 11.10

Имя сигнала Описание SIGCONT Продолжает выполнение, если процесс остановлен SIGCHLD Возбуждается, когда останавливается или завершается дочерний процесс

Резюме 

В этой главе вы убедились, что процессы — это основной компонент операционной системы Linux. Вы узнали, как они могут запускаться, завершаться и просматриваться и как вы можете применять их для решения задач программирования. Вы также познакомились с сигналами, которые могут использоваться для управления действиями выполняющихся программ. Вы убедились, что все процессы Linux, вплоть до init включительно, используют одни и те же системные вызовы, доступные любому программисту.

Глава 12

Потоки POSIX

В главе 11 вы видели, как обрабатываются процессы в ОС Linux (и конечно в UNIX). Эти средства обработки множественных процессов долгое время были характерной чертой UNIX-подобных операционных систем. Порой бывает полезно заставить одну программу делать два дела одновременно или, по крайней мере, создать впечатление такой работы. А может быть, вы хотите, чтобы несколько событий произошло одновременно и все они были тесно связаны, но при этом накладные расходы на создание нового процесса с помощью функции fork считаете слишком большими. В таких ситуациях можно применить потоки, позволяющие одному процессу стать многозадачным.

В этой главе мы рассмотрим следующие темы:

□ создание новых потоков в процессе;

□ синхронизацию доступа к данным потоков одного процесса;

□ изменение атрибутов потока;

□ управление в одном и том же процессе одним потоком из другого.

Что такое поток?

Множественные нити исполнения в одной программе называют потоками. Более точно поток — это последовательность или цикл управления в процессе. Все программы, которые вы видели до настоящего момента, выполняли единственный процесс, хотя, как и многие другие операционные системы, ОС Linux вполне способна выполнять множественные процессы одновременно. В действительности у всех процессов есть как минимум один поток исполнения. У всех процессов, с которыми вы пока познакомились в этой книге, был только один поток исполнения.

Важно понять разницу между системным вызовом fork и созданием новых потоков. Когда процесс выполняет системный вызов fork, создается новая копия процесса с ее собственными переменными и собственным PID. Время выполнения этого нового процесса планируется независимо и выполняется он (в основном) независимо от создавшего его процесса. Когда мы создаем в процессе новый поток, этот поток исполнения в противоположность новому процессу получает собственный стек (и, следовательно, локальные переменные), но использует совместно с создавшим его процессом глобальные переменные, файловые дескрипторы, обработчики сигналов и положение текущего каталога.

Идея потоков была популярна какое-то время, но пока Комитет IEEE POSIX не опубликовал некоторые стандарты, потоки не были широко распространены в UNIX-подобных операционных системах и существовавшие реализации разных поставщиков сильно отличались друг от друга. С появлением стандарта POSIX 1003.1c все изменилось; потоки теперь не только лучше стандартизованы, но также реализованы в большинстве дистрибутивов Linux. В наше время многоядерные процессоры стали обычными даже в настольных компьютерах, так что у большинства машин есть низкоуровневая аппаратная поддержка, позволяющая им выполнять несколько потоков одновременно. Раньше при наличии одноядерных ЦПУ одновременное исполнение потоков было лишь изобретательной, хотя и очень эффективной иллюзией.

Впервые ОС Linux обзавелась поддержкой потоков около 1996 г. благодаря появлению библиотеки, которую часто называют "LinuxThreads" (потоки Linux). Она почти соответствует стандарту POSIX (на самом деле в большинстве случаев отличия не заметны) и стала важным шагом на пути первого применения потоков программистами Linux. Но между реализацией потоков в Linux и стандартом POSIX есть слабые расхождения, в основном касающиеся обработки сигналов. Ограничения накладываются не столько реализацией библиотеки, сколько низкоуровневой поддержкой ядра Linux.

Разные проекты рассматривали возможности улучшения поддержки потоков в Linux, касающиеся не только устранения слабых расхождений со стандартом POSIX, но и повышения производительности и удаления любых ненужных ограничений. Основная работа была направлена на поиск способов отображения потоков пользовательского уровня на потоки уровня ядра системы. Двумя главными проектами были New Generation POSIX Threads (NGPT, потоки POSIX нового поколения) и Native POSIX Thread Library (NPTL, библиотека истинных потоков POSIX). Оба проекта должны были внести изменения в ядро Linux, обеспечивающие поддержку новых библиотек, и оба предлагали существенное повышение производительности по сравнению с прежней реализацией потоков в Linux.

В 2002 г. команда NGPT объявила, что не хочет разделять сообщество и приостанавливает разработку новых средств для проекта NGPT, но продолжит работу по улучшению поддержки потоков в ОС Linux, присоединив свои усилия к стараниям NPTL. Библиотека NPTL стала новым стандартом для потоков в Linux, выпустив первую основную версию в дистрибутиве Red Hat Linux 9. Вы можете найти интересную основополагающую информацию о NPTL в статье "The Native POSIX Thread Library for Linux" ("Библиотека истинных потоков POSIX для Linux") Ульриха Дреппера (Ulrich Drepper) и Инго Мольнара (Ingo Molnar), которая во время написания книги была доступна в Интернете по адресу http://people.redhat.com/drepper/nptl-design.pdf.

Большая часть программного кода из этой главы будет работать с любой библиотекой потоков, поскольку основана на стандарте POSIX, общем для всех библиотек потоков. Но вы сможете заметить небольшие отличия, если пользуетесь старой версией дистрибутива Linux, особенно когда примените команду ps для просмотра примеров во время их выполнения.

Достоинства и недостатки потоков

В определенных обстоятельствах создание нового потока обладает явно выраженными преимуществами по сравнению с созданием нового процесса. Накладные расходы при создании нового потока существенно меньше, чем при создании нового процесса (несмотря на то, что создание новых процессов в Linux очень эффективно по сравнению с другими операционными системами).

Далее перечислены некоторые достоинства потоков.

□ Иногда очень полезно создать программу, которая выполняет два дела одновременно. Классический пример — подсчет в режиме реального времени слов в документе в ходе редактирования текста. Один поток может управлять пользовательским вводом и выполнять редактирование. Другой, способный видеть то же содержимое документа, может непрерывно обновлять переменную-счетчик количества слов. Первый поток (или даже третий) может использовать эту переменную для информирования пользователя. Другой пример — многопоточный сервер базы данных, в котором единый наблюдаемый процесс обслуживает множество клиентов, улучшая общую пропускную способность за счет обслуживания одних запросов и одновременной блокировки других, ожидающих готовности диска. Серверу базы данных реализовать эту скрытую многозадачность в разных процессах очень трудно, т.к. требования блокировки и непротиворечивости данных приводят к тесной связи двух этих процессов. С помощью множественных потоков воплотить в жизнь этот алгоритм гораздо легче.

□ Производительность приложения, в котором смешаны ввод, вычисления и вывод, можно повысить, запустив эти операции как три отдельных потока. Пока поток ввода или вывода ждет подсоединения, один из оставшихся потоков может продолжить вычисления. Серверное приложение, обрабатывающее многочисленные сетевые подключения, также может подойти для организации программы с множественными потоками.

□ Сейчас, когда многоядерные ЦПУ обычны в настольных и портативных компьютерах, применение множественных потоков внутри процесса может при наличии подходящего приложения позволить одному процессу лучше использовать доступные аппаратные ресурсы.

□ Вообще переключение между потоками требует от операционной системы гораздо меньше усилий, чем переключение между процессами. Таким образом, множественные потоки гораздо менее требовательны к ресурсам, чем множественные процессы, и с ними гораздо практичнее выполнять в однопроцессорных системах программы, логика которых требует применения нескольких потоков исполнения. Считается, что трудности разработки при написании многопоточной программы весьма значительны, и это утверждение нельзя не принимать всерьез.