Нейл Мэтью - Основы программирования в Linux

sem_t bin_sem;

#define WORK_SIZE 1024

char work_area[WORK_SIZE];

int main() {

int res;

pthread_t a_thread;

void *thread_result;

res = sem_init(&bin_sem, 0, 0);

if (res != 0) {

perror("Semaphore initialization failed");

exit(EXIT_FAILURE);

}

Обратите внимание на то, что начальное значение семафора равно 0.

В функции main, после того как вы запустили новый поток, вы читаете некоторый текст с клавиатуры, загружаете вашу рабочую область и затем наращиваете счетчик семафора с помощью sem_post:

printf("Input some text. Enter 'end' to finish\n");

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

fgets(work_area, WORK_SIZE, stdin);

sem_post(&bin_sem);

}

В новом потоке вы ждете семафор и затем подсчитываете символы ввода:

sem_wait(&bin_sem);

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

printf("You input %d characters\n", strlen(work_area)-1);

sem_wait(&bin_sem);

}

Пока семафор установлен, вы ждете ввода с клавиатуры. Когда вы получите некоторый ввод, то освобождаете семафор, разрешив второму потоку сосчитать символы перед тем, как первый поток начнет снова считывать ввод с клавиатуры.

И опять потоки совместно используют один и тот же массив work_area. Для того чтобы программный код был короче и за ним легче было следить, мы опять пропустили некоторые проверки ошибок, например значения, возвращаемые из функции sem_wait. Но в рабочем программном коде вы всегда должны проверять ошибочные возвращаемые значения, если нет достаточных оснований для отказа от проверки.

Дайте программе отработать:

$ cc -D_REENTRANT thread3.с -о threads -lpthread

$ ./thread3

Input some text. Enter 'end', to finish

The Wasp Factory

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_waitприостанавливает выполнение и ждет, когда семафор станет ненулевым.

В потоке mainвы 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_waitи начать выполнение. После того как он сосчитает символы, поток вновь вызывает sem_waitи приостанавливает выполнение до тех пор, пока поток main не вызовет снова sem_postдля 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 mainследующим:

printf("Input some text. Enter 'end' to finish\n");

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_areaчем-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 mainподготовится передать ему новую порцию текста для подсчета. Когда вы попытались предложить ему два набора слов для подсчета, быстро следующих друг за другом ( FASTс 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 mainждать, пока у считающего потока не появится возможность закончить свой подсчет, но гораздо легче применить мьютекс или исключающий семафор, который мы рассмотрим далее.

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 errnoне 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_initпозволяет задать атрибуты мьютекса, управляющие его поведением. По умолчанию тип атрибута — "fast". У него есть небольшой недостаток: если ваша программа попытается вызвать функцию pthread_mutex_lockдля 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.