Основы программирования в Linux - Нейл Мэтью

You input 16 characters

Iain Banks

You input 10 characters

end

Waiting for thread to finish...

Thread joined

В программах с потоками временные ошибки всегда трудно найти, но программа кажется приспособленной и к быстрому вводу текста, и более неспешным паузам.

Как это работает

Когда вы инициализируете семафор, то задаете ему начальное значение, равное 0. Следовательно, когда запускается функция потока, вызов sem_wait приостанавливает выполнение и ждет, когда семафор станет ненулевым.

В потоке main вы ждете до тех пор, пока у вас не будет некоторого текста, и затем увеличиваете счетчик семафора с помощью функции sem_post, которая немедленно разрешает другому потоку вернуться из своей функции sem_wait и начать выполнение. После того как он сосчитает символы, поток вновь вызывает sem_wait и приостанавливает выполнение до тех пор, пока поток main не вызовет снова sem_post для того, чтобы увеличить семафор.

Неочевидные недочеты в разработке, которые заканчиваются в результате неявными ошибками, легко пропустить. Давайте слегка изменим программу на thread3a.c, так чтобы вводимый с клавиатуры текст временами заменялся автоматически формируемым текстом. Замените цикл чтения в main следующим:

printf("Input some text. Enter 'end' to finishn");

while (strncmp("end", work_area, 3) != 0) {

 if (strncmp(work_area, "FAST", 4) == 0) {

  sem_post(&bin_sem);

  strcpy(work_area, "Wheeee...");

 } else {

  fgets(work_area, WORK_SIZE, stdin);

 }

 sem_post(&bin_sem);

}

Теперь, если вы введете FAST, программа вызовет sem_post, чтобы запустить счетчик символов, но немедленно обновит work_area чем-то другим.

$ cc -D_REENTRANT thread3a.с -о thread3a -lpthread

$ ./thread3a

Input some text. Enter 'end' to finish

Excession

You input 9 characters

FAST

You input 7 characters

You input 7 characters

You input 7 characters

end

Waiting for thread to finish...

Thread joined

Проблема этой программы заключается в том, что она рассчитывала на то, что ввод текста из программы продлится так долго, что у другого потока хватит времени для подсчета символов до того, как поток main подготовится передать ему новую порцию текста для подсчета. Когда вы попытались предложить ему два набора слов для подсчета, быстро следующих друг за другом (FAST с клавиатуры и затем Wheeee..., формируемое автоматически), у второго потока не было времени для выполнения. Но семафор наращивался несколько раз, поэтому считающий поток продолжал считать слова и уменьшал значение семафора до тех пор, пока оно снова не стало нулевым.

Этот пример показывает, как аккуратны вы должны быть с временны́ми условиями в многопоточных программах. Исправить программу можно, применяя дополнительный семафор для того, чтобы заставить поток main ждать, пока у считающего потока не появится возможность закончить свой подсчет, но гораздо легче применить мьютекс или исключающий семафор, который мы рассмотрим далее.

Синхронизация с помощью мьютексов

Другой способ синхронизации доступа в многопоточных программах — применение мьютексов (сокращение от mutual exclusions — взаимные исключения) или исключающих семафоров, которые разрешают программистам "запирать" объект так, что только один поток может обратиться к нему.

Базовые функции, необходимые для использования мьютексов, очень похожи на функции семафоров. Они объявляются следующим образом:

#include <рthread.h>

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t* mutex,

 const pthread_mutexattr_t *mutexattr);

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t* mutex);

int pthread_mutex_unlock(pthread mutex_t* mutex);

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

Как обычно, в случае успешного завершения возвращается 0 и код ошибки в случае аварийного завершения, но переменная errno не задается, вам придется использовать код возврата.

Как и функции семафоров, функции мьютексов принимают указатель на предварительно объявленный объект, в данном случае типа pthread_mutex_t. Дополнительный параметр атрибутов в функции pthread_mutex_init позволяет задать атрибуты мьютекса, управляющие его поведением. По умолчанию тип атрибута — "fast". У него есть небольшой недостаток: если ваша программа попытается вызвать функцию pthread_mutex_lock для мьютекса, который уже заблокирован, программа блокируется. Поскольку поток, удерживающий блокировку, в данный момент заблокирован, мьютекс никогда не будет открыт, и программа попадает в тупиковую ситуацию. Есть возможность изменить атрибуты мьютекса так, чтобы он либо проверял наличие такой ситуации и возвращал ошибку, либо действовал рекурсивно и разрешал множественные блокировки тем же самым потоком, если будет такое же количество разблокировок в дальнейшем.

Установка атрибутов мьютекса в этой книге не рассматривается, поэтому мы будем передавать NULL в указателе на атрибуты, и использовать поведение по умолчанию. Дополнительную информацию об изменении атрибутов можно найти в интерактивном справочном руководстве к функции pthread_mutex_init.

Выполните упражнение 12.4. 

Упражнение 12.4. Мьютекс потока

Далее приводится еще одна модификация исходной программы thread1.с, но значительно измененная. На этот раз вы уделите особое внимание доступу к вашим важным переменным и примените мьютекс для того, чтобы быть уверенными в том, что они доступны в любой момент времени только одному потоку. Для легкости чтения текста примера мы пропустили некоторые проверки ошибок при возвратах из мьютекса, заблокированного и открытого. В рабочем программном коде вы обязательно должны проверять эти возвращаемые значения. Далее приведен текст новой программы thread4.c.

#include <stdio.h>

#include <unistd.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

#include <pthread.h>

#include <semaphore.h>

void *thread_function(void *arg);

pthread_mutex_t work_mutex; /* защищает work_area и time_to_exit */

#define WORK_SIZE 1024

char work_area[WORK_SIZE];

int time_to_exit = 0;

int main() {

 int res;

 pthread_t a_thread;

 void *thread_result;

 res = pthread_mutex_init(&work_mutex, NULL);

 if (res != 0) {

  perror("Mutex initialization failed");

  exit(EXIT_FAILURE);

 }

 res pthread_create(&a_thread, NULL, thread_function, NULL);

 if (res != 0) {

  perror("Thread creation failed");

  exit(EXIT_FAILURE);

 }

 pthread_mutex_lock(&work_mutex);

 printf("Input same text. Enter 'end' to finishn");

 while (!time_to_exit) {

  fgets (work_area, WORK_SIZE, stdin);

  pthread_mutex_unlock(&work_mutex);

  while(1) {

   pthread_mutex_lock(&work_mutex);

   if (work_area[0] != '') {

    pthread_mutex_unlock(&work_mutex);

    sleep(1);

   } else {

    break;

   }

  }

 }

 pthread_mutex_unlock(&work_mutex);

 printf("nWaiting for thread to finish...n");

 res = pthread_join(a_thread, &thread_result);

 if (res ! = 0) {

  perror("Thread join failed");

  exit(EXIT_FAILURE);

 }

 printf("Thread joinedn");

 pthread_mutex_destroy(&work_mutex);

 exit(EXIT_SUCCESS);

}

void *thread_function(void *arg) {

 sleep(1);

 pthread_mutex_lock(&work_mutex);

 while(strncmp("end", work_area, 3) ! = 0) {

  printf("You input %d charactersn", strlen(work_area)-1);

  work_area[0] = '';

  pthread_mutex_unlock(&work_mutex);

  sleep(1);

  pthread_mutex_lock(&work_mutex);

  while (work_area[0] == '') {

   pthread_mutex_unlock(&work_mutex);

   sleep(1);

   pthread_mutex_lock(&work_mutex);

  }

 }

 time_to_exit = 1;

 work_area[0] = '';

 pthread_mutex_unlock(&work_mutex);

 pthread_exit(0);

}

После запуска вы получите следующий вывод:

$ cc -D_REENTRANT thread4.с -о thread4 -lpthread

$ ./thread4

Input some text. Enter 'end' to finish

Whit

You input 4 characters

The Crow Road

You input 13 characters

end

Waiting for thread to finish...

Thread joined

Как это работает

Вы начинаете с объявления мьютекса вашей рабочей области и на сей раз дополнительной переменной time_to_exit:

pthread_mutex_t work_mutex; /* защищает work_area и time_to_exit */

#define WORK_SIZE 1024

char work_area[WORK_SIZE];