КаталогИндекс раздела
НазадОглавление


      

Лабораторная работа N8

Цель работы: овладение системными средствами порождения и совместного выполнения нитей.

Нити

В операционных системах нити являются параллельными потоками выполнения в составе одного процесса. (Некторые переводчики переводят термин "thread" - "нить" - как "поток".) В составе процесса может быть запущено несколько нитей, которые выполняются параллельно (или квазипараллельно - в режиме разделения времени процессора). Можно считать (и в некоторых операционных системах это действительно так), что в любом процессе имеется по крайней мере одна нить - главная - та, в которой выполняется функция main. Главная нить может порождать другие нити. В программе процесса нить имеет вид процедуры/функции, которая вызывается специальным системным вызовом и после вызова выполняется параллельно с запустившей ее нитью.

Нити, принадлежащие одному процессу, совместно используют почти все ресурсы своего процесса. Однако у каждой нити имеются и некоторые собственные ресурсы. Очевидно, что первым таким собственным ресурсом нити является процессорное время. Два других собственных ресурса нити - вектор состояния и стек. Наличие у нити собственного вектора состояния позволяет системе прерывать и возобновлять выполнение нитей, то есть, планировать нити в режиме вытесняющей многозадачности. Наличие у нити собственного стека позволяет запускать на параллельное выполнение несколько экземпляров одной и той же процедуры/функции. Поскольку локальные переменные функции размещаются в стеке, каждая нить имеет свой набор локальных переменных, которые независимы от других нитей. Статические же переменные программы - общие для всех нитей, также все нити используют один и тот же экземпляр кода функции.

При введении понятия нитей разработчики систем имели в виду два их возможных предназначения:

В клонах операционной системы Unix имеется два подхода к обеспечению механизма нитей:

Поскольку статическая память программы - общая для всех нитей, при работе с совмесно используемыми переменными возможны конфликты доступа. Конфликты могут возникать при одновременном обращении к таким переменным. Проявляются такие конфликты не в отказе в доступе или в фатальных ошибках, а в возможном нарушении целостности совместно используемых данных. Ответственность за сохранение такой целостности лежит на программисте. Программист должен обеспечить, чтобы логически законченные операции над совместно используемыми данными выполнялись как транзакции, то есть, во время их выполнения другие нити, выполняющиеся параллельно, не могли изменять значения этих же данных. Участки кода программы, выполняющие такую работу с совместно используемыми ресурсами, называются критическими секциями. Для обеспечения целостности требуется, чтобы две или более нитей не могли находиться своих критических секциях одновременно. Это - проблема, наиболее часто возникающая при программировании многопоточных приложений, однако, задачи синхронизации и подсчета ресурсов в таких приложениях также возникают. Для решения этой проблемы можно применять обычные семафоры - как и в аналогичных задачах для процессов. Однако целей работы с нитями во многих операционных системах вводятся специальные средства, предназначенные для обеспечения взаимодействий только в пределах одного процесса. Это "облегченные" семафоры-счетчики ресурсов, исключа.щие семафоры и сигнализирующие семафоры. Фактически все эти средства представляют собой обычные семафоры, используемые только в пределах одного процесса, однако, интерфейсы этих средств отличается от интерфейса семафоров процессов и является более специфичными и удобным в применении.

Системные вызовы Unix/Linux

Стандартами POSIX и Single Unix Specification установлен API для нитей. В операционной системе Linux механизм реализации нитей следует подходу BSD: в системе имеется вызов clone, непосредственно обращающийся к ядру системы и представляющий собой расширенную версию fork, стандартный же API обеспечивается функциями библиотеки pthread, которые являются надстройками над вызовом clone.

Следующие функции библитеки нитей, соответствующие стандарту, обеспечивают основные связанные с работой нитей операции в Linux. (Перечислены не все возможности библиотеки pthread).

Выполнение нитей

Функция pthread_create создает новую нить. Этой функции передается указатель на атрибуты выполнения нити (большинство нитей выполняется со стандартными атрибутами), указатель на потоковую функцию (функцию, выполняемую в нити), параметр потоковой функции, адрес переменной типа pthread_t, в которую pthread_create записывает идентификатор созданной нити. Функция pthread_create запускает потоковую функцию в новой нити, и она выполняется параллельно с другими нитями процесса.

Потоковая функция имеет прототип:

    void * имя_функции(void *);
И параметр, и возвращаемое значение такой функции - указатели, таким образом, функция может принимать и возвращать любую информацию.

Нить завершается при завершении выполнения потоковой функции или при выполнении функции pthread_exit.

Функция pthread_join применяется для нитей так же, как системный вызов wait применяется для процессов: она заставляет вызвавшую ее нить ожидать завершения указанной в вызове нить и позволяет вызвавшей нити получить значение, которое вернула завершившаяся нить.

Выполнение нити может быть принудительно прекращено из другой нити при помощи функции pthread_cancel, которой задается идентификатор "убиваемой" нити.

Исключающие семафоры

Исключающий семафор представляется в Linux-программе переменной типа pthread_mutex_t. Семафор должен быть инициализирован при помощи функции pthread_mutex_init. Как правило, приложения удовлетворяют стандартные параметры инициализации исключающих семафором.

Функции pthread_mutex_lock и pthread_mutex_unlock аналогичны семафорным операциям P и V соответственно. Функция pthread_mutex_trylock аналогична pthread_mutex_lock, но при невозможности захватить семафор не переводит нить в ожидание, а возвращает соответствующий признак.

Фактически исключающий семафор является обычным двоичным семафором с начальным значением 1.

Сигнализирующие семафоры

Сигнализирующий семафор представляется в Linux-программе переменной типа pthread_cond_t. Фактически такой семафор является обычным двоичным семафором с начальным значением 0. Семафор должен быть инициализирован при помощи функции pthread_cond_init. Параметров инициализации нет.

Функция pthread_cond_wait реализует на сигнальном семафоре семафорную операцию P. Она блокирует вызвавшую ее нить до тех пор, пока не будет получен сигнал об установке семафора в 1.

Функция pthread_cond_signal аналогична семафорной операции V она разблокирует одну из нитей, ожидающих на семафоре. Функция pthread_cond_broadcast разблокирует все нити, ожидающие на семафоре.

Счетчики ресурсов

Счетчики ресурсов для нитей - это обыкновенные общие семафоры. Такой семафор представляется в программе переменной типа sem_t. Такой семафор должен быть инициализирован при помощи функции sem_init, а затем к нему могут применяться функции sem_wait и sem_post, выполняющие соответственно P- и V-операции.

Функция sem_getvalue позволяет узнать текущее значение семафора.

Внимание! При подготовке программы, содержащей обращения к функциям библиотеки pthread, следует явным образом указывать компилятору необходимость подключения этой библиотеки. Так, программа, рассмотренная нами в примере к данной лабораторной работе компилируется командой:

cc -o ganesha8 ganesha8.o -lpthread

Постановка задачи

Для заданной в Вашем варианте индивидуального задания предметной области разработайте программную модель ситуации, включающей в себя следующее:

Отчет по лабораторной работе

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

Пример выполнения работы N8 приведен здесь.


НазадОглавление
КаталогИндекс раздела