Уильям Стивенс - UNIX: разработка сетевых приложений

4: 1

4: 2

4: 3

4: 4

продолжение выполнения потока номер 4

4: 517

4: 518

5: 518 теперь выполняется поток номер 5

5: 519

5: 520

продолжение выполнения потока номер 5

5: 926

5: 927

4: 519 теперь выполняется поток номер 4, записывая неверные значения

4: 520

Листинг 26.11. Два потока, которые неверно увеличивают значение глобальной переменной

//threads/example01.c

1 #include "unpthread.h"

2 #define NLOOP 5000

3 int counter; /* потоки должны увеличивать значение этой переменной */

4 void *doit(void*);

5 int

6 main(int argc, char **argv)

7 {

8 pthread_t tidA, tidB;

9 Pthread_create(&tidA, NULL, &doit, NULL);

10 Pthread_create(&tidB, NULL, &doit, NULL);

11 /* ожидание завершения обоих потоков */

12 Pthread_join(tidA, NULL);

13 Pthread_join(tidB, NULL);

14 exit(0);

15 }

16 void*

17 doit(void *vptr)

18 {

19 int i, val;

20 /* Каждый поток получает, выводит и увеличивает на

21 * единицу переменную counter NLOOP раз. Значение

22 * переменной должно увеличиваться монотонно.

23 */

24 for (i = 0; i

25 val = counter;

26 printf("%d: %d\n", pthread_self(), val + 1);

27 counter = val + 1;

28 }

29 return (NULL);

30 }

Обратите внимание на то, что в первый раз ошибка происходит при переключении системы с выполнения потока номер 4 на выполнение потока номер 5: каждый поток в итоге записывает значение 518. Это происходит множество раз на протяжении 10 000 строк вывода.

Недетерминированная природа ошибок такого типа также будет очевидна, если мы запустим программу несколько раз: каждый раз результат выполнения программы будет отличаться от предыдущего. Также, если мы переадресуем вывод результатов в файл на диске, эта ошибка иногда не будет возникать, так как программа станет работать быстрее, что приведет к уменьшению вероятности переключения системы между потоками. Наибольшее количество ошибок возникнет в случае, если программа будет работать интерактивно, записывая результат на медленный терминал, но при этом также сохраняя результат в файл при помощи программы Unix script(которая описана в главе 19 книги [110]).

Только что описанная проблема, возникающая, когда несколько потоков изменяют значение одной переменной, является самой простой из проблем параллельного программирования. Для решения этой проблемы используются так называемые взаимные исключения ( mutex — mutual exclusion ), с помощью которых контролируется доступ к переменной. В терминах Pthreads взаимное исключение — это переменная типа pthread_mutex_t, которая может быть заблокирована и разблокирована с помощью следующих двух функций:

#include

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t * mptr );

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t * mptr );

Обе функции возвращают: 0 в случае успешного выполнения, положительное значение Exxx в случае ошибки

Если некоторый поток попытается блокировать взаимное исключение, которое уже блокировано каким-либо другим потоком (то есть принадлежит ему в данный момент времени), этот поток окажется заблокированным до освобождения взаимного исключения.

Если переменная-исключение размещена в памяти статически, следует инициализировать ее константой PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER. В разделе 30.8 мы увидим, что если мы размещаем исключение в совместно используемой (разделяемой) памяти, мы должны инициализировать его во время выполнения программы путем вызова функции pthread_mutex_init.

Некоторые системы (например, Solaris) определяют константу PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER как 0. Если данная инициализация будет опущена, это ни на что не повлияет, так как статически размещаемые переменные все равно автоматически инициализируются нулем. Но для других систем такой гарантии дать нельзя — например, в Digital Unix константа инициализации ненулевая.

В листинге 26.12 приведена исправленная версия листинга 26.11, в которой используется одно взаимное исключение для блокирования счетчика при работе с двумя потоками.

Листинг 26.12. Исправленная версия листинга 26.11, использующая взаимное исключение для защиты совместно используемой переменной

//threads/examplе01.с

1 #include "unpthread.h"

2 #define NLOOP 5000

3 int counter; /* увеличивается потоками */

4 pthread_mutex_t counter_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

5 void *doit(void*);

6 int

7 main(int argc, char **argv)

8 {

9 pthread_t tidA, tidB;

10 Pthread_create(&tidA, NULL, &doit, NULL);

11 Pthread_create(&tidB, NULL, &doit, NULL);

12 /* ожидание завершения обоих потоков */

13 Pthread_join(tidA, NULL);

14 Pthread_join(tidB, NULL);

15 exit(0);

16 }

17 void*

18 doit(void *vptr)

19 {

20 int i, val;

21 /*

22 * Каждый поток считывает, выводит и увеличивает счетчик NLOOP раз.

23 * Значение счетчика должно возрастать монотонно.

24 */

25 for (i = 0; i

26 Pthread_mutex_lock(&counter_mutex);

27 val = counter;

28 printf(%d: %d\n", pthread_self(), val + 1);

29 counter = val + 1;

30 Pthread_mutex_unlock(&counter_mutex);

31 }

32 return(NULL);

33 }

Мы объявляем взаимное исключение с именем counter_mutex. Это исключение должно быть заблокировано потоком на то время, когда он манипулирует переменной counter. Когда мы запускали эту программу, результат всегда был правильным: значение переменной увеличивалось монотонно, а ее окончательное значение всегда оказывалось равным 10 000.

Насколько серьезной является дополнительная нагрузка, связанная с использованием взаимных исключений? Мы изменили программы, приведенные в листингах 26.11 и 26.12, заменив значение NLOOPна 50 000 (вместо исходного значения 5000), и засекли время, направив вывод на устройство /dev/null. Время работы центрального процессора в случае корректной версии, использующей взаимное исключение, увеличилось относительно времени работы некорректной версии без взаимного исключения на 10 %. Это означает, что использование взаимного исключения не связано со значительными издержками.

Взаимное исключение позволяет предотвратить одновременный доступ к совместно используемой (разделяемой) переменной, но для того чтобы перевести поток в состояние ожидания (спящее состояние) до момента выполнения некоторого условия, необходим другой механизм. Продемонстрируем сказанное на следующем примере. Вернемся к нашему веб-клиенту из раздела 26.6 и заменим функцию Solaris thr_joinна pthread_join. Но мы не можем вызвать функцию pthread_joinдо тех пор, пока не будем знать, что выполнение потока завершилось. Сначала мы объявляем глобальную переменную, которая служит счетчиком количества завершившихся потоков, и организуем управление доступом к ней с помощью взаимного исключения.