POSIX Threads

Общая модель Программа Общая память Поток 1 CPU Поток 2 Поток N Потоки – наборы инструкций, исполняющиеся на CPU. Все потоки одной программы работают над одним (разделяемым) адресным пространством.

Для чего нужна синхронизация Поток 1 A Поток 2 Общая память CPU A += 2 A += 3 Набор инструкций 2 Набор инструкций 1 Большинство операций над данными не атомарные – то есть состоят из некоего набора инструкций, исполняющегося на CPU за несколько тактов. Наборы инструкций нескольких потоков от операций над одной и той же переменной могут перемешаться на CPU, что может привести к некорректным результатам. Нужны средства для обеспечения корректности операций над данными в общей памяти. A += 3: mov ax, A add ax, 3 mov A, ax A += 2: mov ax, A add ax, 2 mov A, ax Возможен некорректный результат (A = 2 или 3, но не 5)

Библиотека POSIX Threads #include - функции библиотеки компиляция: … –lpthreads

Создание потоков int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void*(*start_routine)(void*), void* arg) - создание и запуск потока. В thread возвращается некий дескриптор потока для дальнейших операций с ним, attr – атрибуты потока (могут быть опущены – NULL), start_routine – указатель на функцию вида void* start_routine(void*), arg – аргумент для передачи в функцию start_routine. Исполнение потока заключается в исполнении функции start_routine. int pthread_join(pthread_t thread, void** value) – дожидается окончания работы потока. thread – дескриптор потока, в value возвращается результат работы потока (может быть опущен – NULL). Пример создания потоков: void* func1(void* arg) {… return 0;} // функции потоков void* func2(void* arg) {… return 0;} int main() { pthread_ thread1[2], thread2; // дескрипторы потоков int a[2] = {0,1}; pthread_create(&thread1[0], NULL, &func1, &a[0]); // создаем и запускаем потоки pthread_create(&thread1[1], NULL, &func1, &a[1]); pthread_create(&thread2, NULL, &func2, NULL); … // можно еще что-то поделать pthread_join(thread1[0], NULL); // дожидаемся завершения потоков pthread_join(thread1[1], NULL); pthread_join(thread2, NULL); return 0; }

Мутекс Мутекс – некий объект в системе. Может быть в двух состояниях: занят/незанят. pthread_mutex_t mutex; // мутекс в POSIX Threads int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr) – инициализация мутекса. Параметр attr – атрибуты мутекса, в общем случае может быть опущен (равен NULL) int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex) – удаление мутекса Пример: pthread_mutex_t mutex; pthread_mutex_init(&mutex, NULL); // инициализация мутекса …// используем мутекс pthread_mutex_destroy(&mutex); // удаляем ненужный мутекс

Использование мутекса int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex) – занять мутекс. Поток, занявший свободный мутекс, исполняется дальше. Поток, попытавшийся занять уже занятый мутекс, приостанавливается до его освобождения. int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex) - освободить мутекс. В каждый момент времени мутексом может владеть только один поток. Порядок, в котором потоки получают власть над мутексом, в общем случае не детерминирован. Операционной системой гарантируется, что все потоки, ожидающие мутекс, когда либо его получат. Пример ограничения доступа к разделяемой переменной с помощью мутекса: // Для каждого потока: pthread_mutex_lock(&mutex); // занимаем мутекс A += 2; // в каждый момент времени операцию над A будет исполнять только один поток, // поэтому итоговый результат будет корректным pthread_mutex_unlock(&mutex); // освобождаем мутекс

Условные переменные Условная переменная – некий объект в системе, который может использоваться для оповещения потоков о наступлении некоего условия. pthread сond_t cond; // условная переменная в POSIX Threads int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr) – инициализация условной переменной. Параметр attr – атрибуты переменной, в общем случае может быть опущен (равен NULL) int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond) – удаление условной переменной Пример: pthread_cond_t cond; pthread_cond_init(&cond, NULL); // инициализация переменной …// используем переменную pthread_cond_destroy(&cond); // удаляем ненужную переменную

Работа с условными переменными int pthread_cond_wait(pthread_cond_t* cond, pthread_mutex_t *mutex) – приостанавливает поток до наступления события cond. Мутекс mutex освобождается на время ожидания и снова занимается при выходе из функции. int pthread_cond_signal(pthread_cond_t* cond) – сигнализирует о наступлении события cond. При этом только один из потоков, ожидающих событие (если есть такой), выйдет из ожидания. int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t* cond) - сигнализирует о наступлении события cond. При этом все потоки, ожидающие событие (если есть такие), выходят из ожидания. Пример использования условных переменных: pthread_cond_t cond, pthread_mutex_t mutex; // Поток 1: pthread_mutex_lock(&mutex); // занимаем мутекс if(!condition) // condition зависит от переменных, защищаемых мутексом pthread_cond_wait(&cond, &mutex); // ждем наступления события (condition = true) pthread_mutex_unlock(&mutex); // освобождаем вновь занятый мутекс // Поток 2: pthread_mutex_lock(&mutex); // занимаем мутекс … // что-то делаем – чтобы condition = true pthread_cond_signal(&cond); // посылаем сигнал о событии – Поток 1 должен проснуться (если ждет события) pthread_mutex_unlock(&mutex); // освобождаем мутекс