Многопоточное программирование
Идея многопоточного программирования появилась раньше многоядерных процессоров. Межпоточное взаимодействие быстрее, чем между процессами, так как они находятся в одном адресном пространстве.
Взаимодействие между потомками реализуется с помощью сообщений.
Технология MPI также используется в системах с общей памятью, но работают медленнее.
К общим данным относятся:
Глобальные переменные.
Данные, объявленные в статической памяти.
Данные, объявленные в динамической памяти.
Индивидуальные данные – те, которые доступны в одном потоке – локальные переменные.
Планирование потоков используется во всех современных системах. В результате потоки выполняются параллельно.
Если одному потоку приложения соответствует один поток ядра – одноуровневая схема.
Если нескольким потокам приложения соответствует одни поток ядра – многоуровневая схема.
Спецификация posix Threads
Разработана сообществом разработчиков программного обеспечения.
Предназначена для управления потоками.
IEEE's POSIX Threads Model:
• Модель программирования потоков для UNIX platform
• pthreads включает международные стандарты ISO/IEC9945-1
Программная модель pthreads определяет:
• Создание и завершение потоков
• Управление исполнением потоков
• Управление разделяемыми ресурсами процесса
Создание потока:
int pthread_ create( pthread_ t * thread, pthread_ attr_ t * attr, void*(*thread_function)(void * ), void * arg ),
thread –указатель на идентификатор созданного потока
attr – атрибуты потока
third argument – функция, которую поток будет исполнять
arg – аргументы функции (обычно структура)
Функция возвращает 0 при успехе.
Ожидание завершения потока:
int pthread_ join( pthread_ t thread, void * * thread_ return )
Основной поток дожидается завершения потока с идентификатором thread.
Второй аргумент – значение возвращаемое потоком
Функция возвращает 0 при успехе.
Следует всегда дожидаться завершения потока.
Пример программы с использованием posix Threads
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
void *potok(void *arg)
{
printf(“Работает поток%s\n”, (char*)arg);
return 0;
}
main(int argc, char *argv[])
{
int r, rc;
pthread_t threads;
if (argc>1)
{
threads=(pthread_t *)malloc((argc-1)*sizeof(pthread_t));
for(i=1; i<argc; i++)
{
rc=pthread_create(&(threads[i-1]),NULL, potok, argv[i]);
if (rc!=0) exit(-1);
}
for(i=1; i<argc; i++)
{
rc=pthread_join(threads[i-1]),NULL);
if (rc!=0) exit(-2);
}
}
}
Механизмы синхронизации потоков
Выполнение потоков по одной и той же функции может занимать разное время.
mynumber = counter;
counter++;
Рис. 17
Критические секции выполняются строго одним процессором.
Для POSIX – это любая последовательность операторов, которая должна выполняться, не прерываясь, на одном процессоре.
Взаимное иключение (mutex):
Ограничивает доступ множества потоков к одному ресурсу в разделяемой памяти
Обеспечивает locking/unlocking критического участка кода, где разделяемый ресурс модифицируется.
Каждый поток ждет пока mutex будет разблокирован (потоком, который его блокировал) прежде чем войти в критическую секцию.
Базовые функции:
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);
При попытке захвата уже захваченного mutex’а поток приостанавливается до освобождения mutex’а. Освободить его может тот поток, который его захватил.
Семафоры:
Ограничивает количество потоков, исполняющих блок кода.
Аналогичен mutex-ам
Основные функции:
Создание: int sem_ init(sem_ t * sem, int pshared, unsigned int value);
pshared - значение 0 означает, что семафор локален для процесса
Начальное значение для семафора устанавливается в value.
Уничтожение: int sem_ destroy(sem_ t * sem);
Результат действий с использованием уничтоженного семофора не определен.
Управление семафором:
int sem_ post(sem_ t * sem) - а увеличивает значение семафора на 1 ;
int sem_ wait(sem_ t * sem) - уменьшает значение семафора на 1; предварительно дождавшись пока значение не станет больше 0;
Условные переменные.
Лекция 14