Основы программирования в Linux - Нейл Мэтью

 sleep(3);

 strcpy(message, "Bye!");

 pthread_exit("Thank you for the CPU time");

}

Итак:

1. Перед компиляцией программы вы должны убедиться в том, что определен макрос _REENTRANT. В некоторых системах вы также должны определить _POSIX_C_SOURCE, но обычно в этом нет необходимости.

2. Далее вы должны убедиться в том, что программа скомпонована с подходящей библиотекой потоков. В случае маловероятной ситуации применения старой версии дистрибутива Linux, в которой NPTL не является библиотекой потоков по умолчанию, возможно, у вас возникнет желание обновить ее, хотя большая часть программного кода, приведенного в этой главе, совместима со старой реализацией потоков в Linux. Легкий способ проверить — заглянуть в файл /usr/include/pthread.h. Если в этом файле приведен в качестве даты авторского права (copyright date) 2003 г. или более поздний, почти наверняка у вас реализация NPTL. Если указана более ранняя дата, может быть, самое время получить современную версию дистрибутива Linux.

3. Определив и установив нужные файлы, вы можете откомпилировать и скомпоновать вашу программу следующим образом:

$ cc -D_REENTRANT -I/usr/include/nptl threadl.с -о thread1 -L/usr/lib/nptl -lpthread

Примечание

Если в вашей системе по умолчанию установлена NPTL (что очень вероятно), почти наверняка вам не нужны опции -I и -L, и можно применить более простой вариант:

$ cc -D_REENTRANT thread1.с -о thread1 -lpthread

В данной главе мы будем применять этот более простой вариант строки компиляции.

4. Когда вы выполните эту программу, то увидите следующие строки:

$ ./thread1

Waiting for thread to finish...

thread_function is running. Argument was Hello World

Thread joined, it returned Thank you for the CPU time

Message is now Bye!

Стоит потратить немного времени на анализ данной программы, поскольку мы будем использовать ее как основу в большинстве примеров этой главы.

Как это работает

Вы объявляете прототип функции, которую вызовет поток, когда вы его создадите:

void *thread_function(void *arg);

Как требует функция pthread_create, данная функция принимает в качестве своего единственного параметра указатель на void и возвращает указатель на void. (Мы перейдем к реализации thread_function через минуту.)

В функции main объявлено несколько переменных и затем осуществляется вызов функции pthread_create, чтобы начать выполнение нового потока.

pthread_t a_thread;

void *thread_result;

res = pthread_create(&a_thread, NULL, thread_function, (void *)message);

Вы передаете адрес объекта типа pthread_t, который можете применять в дальнейшем для ссылки на поток. Вы не хотите менять атрибуты потока, заданные по умолчанию, поэтому во втором параметре передаете NULL. Последние два параметра — вызываемая функция и передаваемый ей параметр.

Если вызов завершился нормально, теперь выполняются два потока. Исходный поток (main) продолжается и выполняет код, расположенный следом за функцией pthread_create, а новый поток начинает выполнение в функции, образно названной thread_function.

Исходный поток проверяет, запустился ли новый поток, и затем вызывает функцию pthread_join:

res = pthread_join(a_thread, &thread_result);

Здесь вы передаете идентификатор потока, который ждете, чтобы присоединить, и указатель на результат. Эта функция, прежде чем вернуть управление, будет ждать, пока другой поток не завершится. Затем она выводит возвращаемое из потока значение и содержимое переменной и завершается.

Новый поток начинает выполнение, запуская функцию thread_function, которая выводит свои аргументы, засыпает на короткий период, обновляет глобальные переменные и затем завершается, возвращая строку в поток main. Новый поток пишет в тот же массив message, к которому у исходного потока есть доступ. Если бы вы вызвали функцию fork вместо pthread_create, массив представлял бы собой копию массива message, а не сам массив.

Одновременное выполнение

В упражнении 12.2 показано, как написать программу, которая проверяет одновременное выполнение двух потоков. (Вы, конечно, применяете однопроцессорную систему, ЦП будет искусно переключаться между потоками, а не одновременно выполнять оба потока, используя отдельные ядра процессора аппаратными средствами.) Поскольку вы не встречались еще с какими-либо функциями синхронизации потоков, это будет очень неэффективная программа, делающая нечто, именуемое опросом (polling) двух потоков. И снова вы воспользуетесь тем, что все, за исключением локальных переменных функции, совместно используется двумя потоками в процессе.

Упражнение 12.2. Одновременное выполнение двух потоков

Программа thread2.c в этом упражнении создается за счет небольших изменений программы thread1.c. Вы добавите дополнительную глобальную переменную для определения выполняющегося потока.

Примечание

Файлы с полными текстами примеров можно загрузить с Web-сайта книги.

int run_now = 1;

Задайте run_now равной 1, когда выполняется функция main, и 2, когда выполняется новый поток.

В функцию main после создания нового потока добавьте следующий код:

int print_count1 = 0;

while (print_count1+ < 20) {

 if (run_now == 1) {

  printf("1");

  run_now = 2;

 } else {

  sleep(1);

 }

}

Если переменная run_now равна 1, выведите "1" и присвойте переменной значение 2. В противном случае вы на короткое время засыпаете и снова проверяете значение. Вы ждете, пока значение изменится на 1, проверяя время от времени снова. Этот прием называется циклам активного или деятельного ожидания (busy wait), несмотря, на то, что в данном случае программа засыпает на секунду между очередными проверками. Позже в этой главе вы увидите, как сделать это лучше.

В функции thread_function, где выполняется ваш новый поток, вы делаете примерно то же самое, но с противоположными значениями.

int print_count2 = 0;

while (print_count2++ < 20) {

 if (run_now == 2) {

  printf("2");

  run_now = 1;

 } else {

  sleep(1);

 }

}

Вы удаляете переданные параметр и возвращаемое значение, т.к. они вас больше не интересуют.

Когда вы выполните программу, то увидите следующий вывод. (Вы можете обнаружить, что для формирования вывода, особенно на машине с одноядерным ЦП, программе потребуется несколько секунд.)

$ cc -D_REENTRANT thread2.с -о thread2 -lpthread

$ ./thread2

12121212121212121212

Waiting for thread to finish...

Thread joined

Как это работает

Каждый поток заставляет другой поток выполняться, задавая переменную run_now и затем ожидая, пока другой поток не изменит значение, чтобы можно было продолжить выполнение. Из программы видно, что выполнение переходит от одного потока к другому автоматическими кроме того, она демонстрирует точку, совместно используемую обоими потоками, — переменную run_now.

Синхронизация

В предыдущем разделе вы видели, что два потока выполняются одновременно, но метод переключения между ними топорный и очень неэффективный. К счастью, существует ряд функций, специально разработанных для предоставления лучших способов управления исполнением потоков и доступа к важным фрагментам кода.

В этом разделе мы рассмотрим два основных метода: семафоры, действующие как сторожа, охраняющие фрагменты кода, и мьютексы или исключающие семафоры, действующие как устройство взаимного исключения (отсюда и имя — исключающий семафор) для защиты фрагментов программного кода. На самом деле эти методы похожи, и один может быть описан в терминах другого. Тем не менее существуют ситуации, в которых семантика проблемы делает один более выразительным, чем другой. Например, управление доступом к некоторой области совместно используемой памяти, к которой может обращаться только один поток в каждый момент времени, более естественным кажется исключающий семафор или мьютекс. Для управления доступом к ряду идентичных объектов в целом, например, предоставление потоку одной телефонной линии из набора, включающего пять доступных линий, больше подходит семафор. Какой метод выберите вы, зависит от личных предпочтений и наиболее подходящего для вашей программы алгоритма.

Синхронизация с помощью семафоров

Для семафоров есть два набора интерфейсных функций: один взят из POSIX Realtime Extensions (дополнения POSIX для режима реального времени) и применяется для потоков, а другой, известный как семафоры System V, обычно применяется для синхронизации процессов. (Мы обсудим второй тип в главе 14.) Оба набора не гарантируют взаимозаменяемости и хотя очень похожи, используют вызовы разных функций.