QNX/UNIX: Анатомия параллелизма - Цилюрик Олег Иванович

Собственные данные потоков — это настолько гибкий механизм, что он может таить в себе и другие, еще не используемые техники применения.

Безопасность вызовов в потоковой среде

Рассмотрев «в первом приближении» технику собственных данных потоков, мы теперь готовы ответить на вопрос: «В чем же главное предназначение такой в общем-то достаточно громоздкой техники? И зачем для ее введения потребовалось специально расширять стандарты POSIX?» Самое прямое ее предназначение, помимо других «попутных» применений, которые были обсуждены ранее, — это общий механизм превращения существующей функции для однопотокового исполнения в функцию, безопасную (thread safe) в многопоточном окружении. Этот механизм предлагает единую (в смысле «единообразную», а не «единственно возможную») технологию для разработчиков библиотечных модулей.

Примечание

ОС QNX, заимствующая инструментарий GNU-технологии (gcc, make, …), предусматривает возможность построения как статически связываемых библиотек (имена файлов вида xxx.a), так и разделяемых или динамически связываемых (имена файлов вида xxx.so). Целесообразность последних при построении автономных и встраиваемых систем (на что главным образом и нацелена ОС QNX) достаточно сомнительна. Однако высказанное выше положение о построении реентерабельных программных единиц относится не только к библиотечным модулям (как статическим, так и динамическим) в традиционном понимании термина «библиотека», но и охватывает куда более широкий спектр возможных объектов и в той же мере относится и просто к любым наборам утилитных объектных модулей (вида xxx.о), разрабатываемых в ходе реализации под целевой программный проект.

Если мы обратимся к технической документации API QNX (аналогичная картина будет и в API любого UNIX), то заметим, что только небольшая часть функций отмечена как thread safe. К «небезопасным» отнесены такие общеизвестные вызовы, как select(), rand()и readln(), а многим «небезопасным» в потоковой среде вызовам сопутствуют их безопасные дубликаты с суффиксом *_rв написании имени функции, например MsgSend() — MsgSend_r().

В чем же состоит небезопасность в потоковой среде? В нереентерабельности функций, подготовленных для выполнения в однопоточной среде, в первую очередь связанной с потребностью в статических данных, хранящих значение от одного вызова к другому. Рассмотрим классическую функцию rand(), традиционно реализуемую в самых разнообразных ОС примерно так (при «удачном» выборе констант А, В, С):

int rand(void) {

 static int x = rand_init();

 return x = (A*x + B)%C;

}

Такая реализация, совершенно корректная в последовательной (однопотоковой) модели, становится небезопасной в многопоточной: а) вычисление xможет быть прервано событием диспетчеризации, и не исключено, что вновь получивший управление поток в свою очередь обратится к rand()и исказит ход текущего вычисления; б) каждый поток «хотел бы» иметь свою автономную последовательность вычислений x, не зависящую от поведения параллельных потоков. Желаемый результат будет достигнут, если каждый поток будет иметь свой автономный экземпляр переменной x, что может быть получено двумя путями:

1. Изменить прототип объявления функции:

int rand_r(int *x) {

 return x = (А * (*x) + В) % С;

};

При этом проблема «клонирования» переменной x в каждом из потоков (да и начальной ее инициализации) не снимается, она только переносится на плечи пользователя, что, однако, достаточно просто решается при создании потоковой функции за счет ее стека локальных переменных:

void* thrfunc(void*) {

 int x = rand_init();

 ... = rand_r(&x);

};

Именно такова форма и многопоточного эквивалента в API QNX — rand_r().

2. В этом варианте мы сохраняем прототип описания функции без изменений за счет использования различных экземпляров собственных данных потока. (Весь приведенный ниже код размещен в отдельной единице компиляции; все имена, за исключением rand(), невидимы и недоступны из точки вызова, что подчеркнуто явным использованием квалификатора static.)

static pthread_key_t key;

static pthread_once_t once = PTHREAD_ONCE_INIT;

static void destr(void* db) { delete x; }

static void once_creator(void) { pthread_key_create(&key, destr); }

int rand(void) {

 pthread_once(&once, once_creator);

 int *x = pthread_getspecific(key);

 if (x == NULL) {

  pthread_setspecific(key, x = new int);

  *x = rand_init();

 }

 return x = (A * (*x) + B) % C;

}

В этом варианте, в отличие от предыдущего, весь код вызывающего фрагмента при переходе к многопоточной реализации остается текстуально неизменным:

void* thrfunc(void*) {

 // ...

 while (true) {

  ... = rand(x);

 }

}

Перевод всего программного проекта на использование потоковой среды состоит в замене объектной единицы (объектного файла, библиотеки), содержащей реализацию rand(), и новой сборке приложения с этой объектной единицей.

При таком способе изменяются под потоковую безопасность и стандартные общеизвестные библиотечные функции API, написанные в своем первозданном виде 25 лет назад… (по крайней мере, так предлагает это делать стандарт POSIX, вводящий в обиход собственные данные потоков).

Диспетчеризация потоков

Каждому потоку, участвующему в процессе диспетчеризации, соответствует экземпляр структуры, определенной в файле <sys/target_nto.h>, в котором находятся все фундаментальные для ОС QNX определения:

struct sched_param {