Уильям Стивенс - UNIX: разработка сетевых приложений

Показанное здесь решение, в котором используется функция потоков thr_join Solaris, не является, вообще говоря, совместимым со всеми системами. Тем не менее мы приводим здесь эту версию веб-клиента, использующую потоки, чтобы не осложнять обсуждение рассмотрением условных переменных и взаимных исключений (mutex). К счастью, в Solaris допустимо смешивать потоки Pthreads и потоки Solaris.

В листинге 26.9 показана функция do_get_read, которая выполняется каждым потоком. Эта функция устанавливает соединение TCP, посылает серверу команду HTTP GETи считывает ответ сервера.

Листинг 26.9. Функция do_get_read

//threads/web01.c

61 void*

62 do_get_read(void *vptr)

63 {

64 int fd, n;

65 char line[MAXLINE];

66 struct file *fptr;

67 fptr = (struct file*)vptr;

68 fd = Tcp_connect(fptr->f_host, SERV);

69 fptr->f_fd = fd;

70 printf("do_get_read for %s, fd %d, thread %d\n",

71 fptr->f_name, fd, fptr->f_tid);

72 write_get_cmd(fptr);

73 /* Чтение ответа сервера */

74 for (;;) {

75 if ((n = Read(fd, line, MAXLINE)) == 0)

76 break; /* сервер закрывает соединение */

77 printf ("read %d bytes from %s\n", n, fptr->f_name);

78 }

79 printf("end-of-file on %s\n\", fptr->f_name);

80 Close(fd);

81 fptr->f_flags = F_DONE; /* сбрасываем F_READING */

82 return (fptr); /* завершение потока */

83 }

68-71 Создается сокет TCP, и с помощью функции tcp_connectустанавливается соединение. В данном случае используется обычный блокируемый сокет, поэтому поток будет блокирован при вызове функции connect, пока не будет установлено соединение.

72 Функция write_get_cmdформирует команду HTTP GETи отсылает ее серверу. Мы не показываем эту функцию заново, так как единственным отличием от листинга 16.12 является то, что в версии, использующей потоки, не вызывается макрос FD_SETи не используется maxfd.

73-82 Затем считывается ответ сервера. Когда соединение закрывается сервером, устанавливается флаг F_DONEи функция возвращает управление, завершая выполнение потока.

Мы также не показываем функцию home_page, так как она полностью повторяет версию, приведенную в листинге 16.10.

Мы вернемся к этому примеру, заменив функцию Solaris thr_joinна более переносимую функцию семейства Pthreads, но сначала нам необходимо обсудить взаимные исключения и условные переменные.

Обратите внимание на то, что в листинге 26.8 при завершении выполнения очередного потока в главном цикле уменьшаются на единицу и nconn, и nlefttoread. Мы могли бы поместить оба эти оператора уменьшения в одну функцию do_get_read, что позволило бы каждому потоку уменьшать эти счетчики непосредственно перед тем, как выполнение потока завершается. Но это привело бы к возникновению трудноуловимой серьезной ошибки параллельного программирования.

Проблема, возникающая при помещении определенного кода в функцию, которая выполняется каждым потоком, заключается в том, что обе эти переменные являются глобальными, а не собственными переменными потока. Если один поток в данный момент уменьшает значение переменной и это действие приостанавливается, чтобы выполнился другой поток, который также станет уменьшать на единицу эту переменную, может произойти ошибка. Предположим, например, что компилятор С осуществляет уменьшение переменной на единицу в три этапа: загружает информацию из памяти в регистр, уменьшает значение регистра, а затем сохраняет значение регистра в памяти. Рассмотрим возможный сценарий.

1. Выполняется поток А, который загружает в регистр значение переменной nconn(равное 3).

2. Система переключается с выполнения потока А на выполнение потока В. Регистры потока А сохранены, регистры потока В восстановлены.

3. Поток В выполняет три действия, составляющие оператор декремента в языке С ( nconn--), сохраняя новое значение переменной nconn, равное 2.

4. Впоследствии в некоторый момент времени система переключается на выполнение потока А. Восстанавливаются регистры потока А, и он продолжает выполняться с того места, на котором остановился, а именно начиная со второго этапа из трех, составляющих оператор декремента. Значение регистра уменьшается с 3 до 2, и значение 2 записывается в переменную nconn.

Окончательный результат таков: значение nconnравно 2, в то время как оно должно быть равным 1. Это ошибка.

Подобные ошибки параллельного программирования трудно обнаружить по многим причинам. Во-первых, они возникают нечасто. Тем не менее это ошибки, которые по закону Мэрфи вызывают сбои в работе программ. Во-вторых, ошибки такого типа возникают не систематически, так как зависят от недетерминированного совпадения нескольких событий. Наконец, в некоторых системах аппаратные команды могут быть атомарными. Это значит, что имеется аппаратная команда уменьшения значения целого числа на единицу (вместо трехступенчатой последовательности, которую мы предположили выше), а аппаратная команда не может быть прервана до окончания своего выполнения. Но это не гарантировано для всех систем, так что код может работать в одной системе и не работать в другой.

Программирование с использованием потоков является параллельным ( parallel ), или одновременным ( concurrent ), программированием, так как несколько потоков могут выполняться параллельно (одновременно), получая доступ к одним и тем же переменным. Хотя ошибочный сценарий, рассмотренный нами далее, предполагает систему с одним центральным процессором, вероятность ошибки также присутствует, если потоки А и В выполняются в одно и то же время на разных процессорах в многопроцессорной системе. В обычном программировании под Unix мы не сталкиваемся с подобными ошибками, так как при использовании функции forkродительский и дочерний процессы не используют совместно ничего, кроме дескрипторов. Тем не менее мы столкнемся с ошибками этого типа при обсуждении совместного использовании памяти несколькими процессами.

Эту проблему можно с легкостью продемонстрировать на примере потоков. В листинге 26.11 показана программа, которая создает два потока, после чего каждый поток увеличивает некоторую глобальную переменную 5000 раз.

Мы повысили вероятность ошибки за счет того, что потребовали от программы получить текущее значение переменной counter, вывести это значение и записать его. Если мы запустим эту программу, то получим результат, представленный в листинге 26.10.

Листинг 26.10. Результат выполнения программы, приведенной в листинге 26.11