Олег Цилюрик - QNX/UNIX: Анатомия параллелизма

DataBlock E;

// ... обработка и заполнение E ...

pthread_create(NULL, NULL, &ThreadProc, new DataBlock(E));

}

В этом простейшем фрагменте кода Nпотоков разделяют единые экземпляры данных Аи В: любые изменения, сделанные в данных потоком i, будут видимы потоку j, если, конечно, корректно выполнена синхронизация доступа к данным и потоки «совместными усилиями» не разрушат целостность блока данных. Другие блоки данных, Си D, представлены одним изолированным экземпляром на каждый поток, и никакие изменения, производимые потоком в своем экземпляре данных, не будут видны другим потокам.

Подобные эффекты не возникают в однопотоковых программах, а если они не учитываются и возникают спонтанно, то порождают крайне трудно выявляемые ошибки. [19] В литературе неоднократно отмечалось, что ошибки многопоточных программ часто не детерминированы (могут возникать или нет в идентичных условиях исполнения), трудно воспроизводимы и могут быть крайне трудны для локализации. Очень часто такие ошибки возникают после преобразования корректных последовательных программ в потоковые. Рассмотрим простейший фрагмент кода:

int M = 0;

void Func_2(void) {

static int С = 0;

M += 2;

C++;

M -= 2;

}

void Func_1(void) { Func_2(); }

void* ThreadProc(void *data) {

Func_1();

return NULL;

}

...

for (int i = 0; i < N; i++)

pthread_create(NULL, NULL, &ThreadProc, NULL);

Можно ли здесь утверждать, что переменная Mсохранит нулевое значение, а переменная Сдействительно является счетчиком вызовов и ее результирующее значение станет N? Ни в коей мере: после выполнения такого фрагмента в переменных может быть все что угодно. Но цепочка вызовов Func_1()->Func_2()может быть сколь угодно длинной, описание Func_2()может находиться совершенно в другом файле кода (вместе с объявлением переменной M!) и, наконец, Func_2()в нашей транскрипции может быть любой функцией из библиотек C/C++, писавшейся лет 15 назад и содержащей в своем теле статические переменные!

POSIX.1 требует, чтобы определенные в нем функции были максимально безопасными в многопоточной среде. Но переработка всех библиотек - трудоемкий и длительный процесс. API QNX (и так поступили производители многих POSIX-совместимых ОС) для потенциально небезопасных в многопоточной среде функций ввели их эквиваленты, отличающиеся суффиксом «_r», например: localtime()— localtime_r(), rand()— rand_r()и т.д. Принципиально небезопасна в многопоточной среде одна из самых «любимых» в UNIX функция — select().

Описанной выше схеме общих данных приложения и локальных данных потока, достаточных для большинства «ординарных» приложений, все-таки определенно не хватает гибкости, покрывающей все потребности. Поэтому в расширениях POSIX реального времени вводится третий специфичный механизм создания и манипулирования с данными в потоке — собственные данные потока (thread-specific data). Использование собственных данных потока — самый простой и эффективный способ манипулирования данными, представленными индивидуальными экземплярами данных для каждого потока.

Согласно POSIX операционная система должна поддерживать ограниченное количество объектов собственных данных (POSIX.1 требует, чтобы этот предел не превышал128 объектов на каждый процесс). Ядром системы поддерживается массив из этого количества ключей (тип pthread_key_t; это абстрактный тип, и стандарт предписывает не ассоциировать его с некоторым значением, но реально это небольшие целые значения, и в таком виде вся схема гораздо проще для понимания). Каждому ключу сопоставлен флаг, отмечающий, занят этот ключ или свободен, но это внутренние детали реализации, не доступные программисту. Кроме того, при создании ключа с ним может быть связан адрес функции деструктора, которая будет вызываться при завершении потока и уничтожении его экземпляра данных (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Ключи экземпляров данных

Когда поток вызывает pthread_key_create()для создания нового типасобственных данных, система разыскивает первое незанятое значение ключа и возвращает его значение (0...127). Для каждого потока процесса (в составе описателя потока) хранится массив из 128 указателей ( void*) блоков собственных данных, и по полученному ключу поток, индексируя этот массив, получает доступ к своему экземпляру данных, ассоциированных со значением ключа. Начальные значения всех указателей блоков данных - NULL, а фактическое размещение и освобождение блоков данных выполняет пользовательская программа (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Поток и его собственные данные

На рис. 2.5 представлен массив структур, создаваемый в единичном экземпляре для каждого процессабиблиотекой потоков. Каждый элемент ключа должен быть предварительно инициализирован вызовом pthread_key_create()(однократно для всего процесса). Каждый инициализированный элемент массива определяет объекты единого класса во всех использующих их потоках, поэтому для них здесь же определяется деструктор (это в терминологии языка С!). Деструктор — единый для экземпляров данных в каждом потоке. Даже для инициализированного и используемого ключа в качестве деструктора может быть указан NULL, при этом никакие деструктивные действия при завершении потока не выполняются.

После размещения блока программа использует вызов pthread_setspecific(). Для связывания адреса своего экземпляра данных с элементом массива указателей, индексируемого ключом. В дальнейшем каждый поток использует pthread_getspecific()для доступа именно к своему экземпляру данных. Это схема, а теперь посмотрим, как она работает.

Положим, что нам требуется создать Nпараллельно исполняющихся идентичных потоков (использующих единую функцию потока), каждый из которых предполагает работать со своей копией экземпляра данных типа DataBlock:

class DataBlock {

~DataBlock() { ... }

...

};

void* ThreadProc(void *data) {

// ... здесь будет код, который мы рассмотрим

return NULL;

}

...

for (int i = 0; i < N; i++)

pthread_create(NULL, NULL, &ThreadProc, NULL);

Последовательность действий потока выглядит следующим образом:

1. Поток запрашивает pthread_key_create()— создание ключа для доступа к блоку данных DataBlock. Если потоку необходимо иметь несколько (m) блоков собственных данных различной типизации (и различного функционального назначения): DataBlock_1, DataBlock_2 … DataBlock_m, то он запрашивает значения ключей соответствующее число раз для каждого типа ( m).